KR20240100609A - Apparatus and method for predicting aircraft icing based on the atmospheric numerical weather prediction model - Google Patents

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김정훈
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서울대학교산학협력단
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 기상 수치모델 기반 항공기 착빙 예측 장치는 데이터 송수신 모듈; 항공기 착빙 예측 프로그램이 저장된 메모리; 및 메모리에 저장된 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함하며, 항공기 착빙 예측 프로그램은, 수집된 기상변수 정보를 착빙 예측 모델에 입력하여 착빙 잠재도를 산출하고, 착빙 잠재도를 기초로 임계값 이상 여부를 판단하고, 착빙 잠재도에 따른 착빙 예상 영역과 임계값 이상의 착빙 위험 영역을 제공하되, 착빙 예측 모델은 기상변수 별로 정의된 멤버십 함수를 이용하여 구축된 퍼지논리 모델인 것이다.An aircraft icing prediction device based on a numerical meteorological model according to an embodiment of the present invention includes a data transmission and reception module; A memory in which an aircraft icing prediction program is stored; and a processor that executes a program stored in a memory, wherein the aircraft icing prediction program calculates the icing potential by inputting the collected weather variable information into the icing prediction model, and determines whether the icing potential is above the threshold. It provides an icing expected area according to icing potential and an icing risk area above a threshold, but the icing prediction model is a fuzzy logic model built using a membership function defined for each meteorological variable.

Description

기상 수치모델 기반 항공기 착빙 예측 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR PREDICTING AIRCRAFT ICING BASED ON THE ATMOSPHERIC NUMERICAL WEATHER PREDICTION MODEL}Aircraft icing prediction device and method based on meteorological numerical model {APPARATUS AND METHOD FOR PREDICTING AIRCRAFT ICING BASED ON THE ATMOSPHERIC NUMERICAL WEATHER PREDICTION MODEL}

본 발명은 기상 수치모델 기반 항공기 착빙 예측 장치 및 방법에 대한 것이다.The present invention relates to an aircraft icing prediction device and method based on a meteorological numerical model.

항공기 착빙은 구름 내에서 영하의 온도에도 얼지 않은채로 존재하는 과냉각수적이 항공기 표면에 충돌하면서 얼음을 형성하는 현상이다. 착빙은 항공기의 양력을 감소시키고, 항력, 마찰, 무게를 증가시켜 연료 효율 및 안정성을 떨어뜨린다. 피토 튜브 등의 항공기에 부착된 관측기에 착빙이 발생할 경우 계기 오차 및 고장을 일으킬 수 있다. 착빙 방지 장치가 없는 항공기의 엔진에 착빙이 발생할 경우 항공기가 동력을 상실하고 추락할 수 있다. 따라서 항공기 운항 시 착빙 위험 영역을 사전에 파악하고 비행 경로를 수정하는 등 대비할 필요가 있다.Aircraft icing is a phenomenon in which supercooled water droplets that remain unfrozen in clouds even at sub-zero temperatures collide with the surface of the aircraft, forming ice. Icing reduces an aircraft's lift and increases drag, friction, and weight, reducing fuel efficiency and stability. If icing occurs on an observation device attached to an aircraft, such as a pitot tube, it may cause instrument error and failure. If icing occurs in the engine of an aircraft without an anti-icing device, the aircraft may lose power and crash. Therefore, when operating an aircraft, it is necessary to identify icing risk areas in advance and prepare for them by modifying the flight path.

착빙을 예측하는 방법에는 기상 수치모델을 활용하는 방법이 있으며, 수치모델에서 산출되는 착빙과 관련된 기상 변수를 이용할 수 있다. 착빙을 예측하는 방법에는 과냉각수적의 존재와 직접적으로 관련있는 과냉각수적량과 수적의 크기 분포를 나타내는 중앙부피지름의 두 변수를 이용하는 직접적 예측 방법이 있다. 하지만, 수치모델의 구성(수평 격자 해상도 등)에 따라 예측 성능이 크게 달라지며 슈퍼컴퓨터 연산 자원 부족으로 현업 예측에서 잘 활용되지 않는다. 따라서 국외 기상청에서는 직접적 예측 방법의 한계를 고려하며 효율적인 시스템 운영을 위해 간접적인 예측 방식을 채택하고 있다. 이들이 활용하는 간접적 예측 방법은 과냉각수적의 존재를 간접적으로 알려주는 기온, 상대습도, 구름 수액량 등의 기상 변수를 이용하는 것이다.There is a way to predict icing by using a numerical meteorological model, and the meteorological variables related to icing calculated from the numerical model can be used. There is a direct prediction method that uses two variables: the amount of supercooled water, which is directly related to the presence of supercooled water droplets, and the central volume diameter, which represents the size distribution of the droplets. However, prediction performance varies greatly depending on the configuration of the numerical model (horizontal grid resolution, etc.), and is not widely used in actual predictions due to a lack of supercomputer computing resources. Therefore, foreign meteorological offices consider the limitations of direct prediction methods and adopt indirect prediction methods for efficient system operation. The indirect prediction method they use is to use meteorological variables such as temperature, relative humidity, and cloud sap volume, which indirectly indicate the presence of supercooled water droplets.

국내 항공 기상청에서는 1990년대 미국 국립기상연구소에서 개발한 간접적 예측 방법인 기온과 상대습도를 이용하는 착빙 예측시스템을 활용하나, 두 기상 변수만으로 착빙을 예측하는 것은 정밀성, 구체성 등에서 한계가 있다. 이와 같은 기존 시스템의 착빙 예측결과로는 항공 산업의 안전에 크게 위협을 가하지 않는 약한 강도부터, 반드시 피해가야만 하는 강한 강도의 착빙을 명확하게 구분할 수 없다. 이에따라 선진국(미국, 영국 등)에서는 2000년대 이후 기존 시스템에 대한 이용을 중단하고 있다. The Korea Aviation Meteorological Administration uses an icing prediction system that uses temperature and relative humidity, an indirect prediction method developed by the U.S. National Institute of Meteorology in the 1990s. However, predicting icing with only two meteorological variables has limitations in terms of precision and specificity. The icing prediction results of existing systems cannot clearly distinguish between mild icing that does not pose a significant threat to the safety of the aviation industry and strong icing that must be avoided. Accordingly, developed countries (USA, UK, etc.) have stopped using the existing system since the 2000s.

반면 기상 예보관, 항공사 등의 엔드 유저는 중강도 이상의 비교적 강한 착빙 영역에 대한 예측을 우선적으로 필요로 한다. 따라서 추가적인 기상 변수를 사용하여 착빙 예측 정확성과 정밀성을 높일 필요가 있다.On the other hand, end users such as weather forecasters and airlines first need predictions of relatively strong icing areas of medium or higher intensity. Therefore, it is necessary to increase the accuracy and precision of icing prediction by using additional meteorological variables.

착빙 발생은 항공 역학과도 연관되어 있으며, 기상학적 관점에서 발생할 수 있는 환경의 범위가 매우 광대하다. 즉, 기온과 상대습도 두 가지의 기상 변수만으로는 정확한 착빙 예측이 어렵다. 따라서 선진국에서는 2000년대 이후 머신러닝에서 활용되는 퍼지논리 기반의 알고리즘을 개발하여 현업 예보에 활용하고 있다. The occurrence of icing is also related to aerodynamics, and the range of environments in which it can occur from a meteorological point of view is very wide. In other words, it is difficult to accurately predict icing using only two meteorological variables: temperature and relative humidity. Therefore, developed countries have been developing fuzzy logic-based algorithms used in machine learning since the 2000s and using them for practical forecasting.

하지만 국외에서 활용하고 있는 퍼지논리 알고리즘은 운영 기관의 수치모델에 적합하도록 개발되어 있다. 또한 수치모델은 운영 국가의 기상 현상 발생 특성 및 기상 예보 목적에 따라 예측 정확성이 확보되도록 설계되기 때문에 각자의 고유한 예측 특성을 가지게 된다. 따라서 우리나라 공역 예보의 예측 정확성과 운영의 효율성을 확보하기 위해서는 기상청 현업에서 사용하는 수치모델에 최적화된 항공기 착빙 예측 방법이 요구된다.However, the fuzzy logic algorithm used overseas has been developed to fit the numerical model of the operating agency. In addition, numerical models are designed to ensure forecast accuracy according to the characteristics of weather phenomenon and the purpose of weather forecasting in the country in which they operate, so each model has its own unique forecast characteristics. Therefore, in order to ensure forecast accuracy and operational efficiency of Korea's airspace forecast, an aircraft icing prediction method optimized for the numerical model used by the Korea Meteorological Administration is required.

대한민국 등록 특허 10- 10-2043227 (발명의 명칭: " 얼음 형성의 예측 및 제어 시스템 및 방법")Republic of Korea registered patent 10-10-2043227 (Title of invention: “System and method for predicting and controlling ice formation”)

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 수치모델에서 모의되는 기상 변수를 이용하여 착빙 위험 영역의 예측 결과를 제시하는 기상 수치모델 기반 항공기 착빙 예측 장치 및 방법을 제공하는데 목적이 있다. The present invention is intended to solve the above-mentioned problems, and its purpose is to provide an aircraft icing prediction device and method based on a meteorological numerical model that presents prediction results of the icing risk area using meteorological variables simulated in the numerical model.

다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.However, the technical challenge that this embodiment aims to achieve is not limited to the technical challenges described above, and other technical challenges may exist.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 기상 수치모델 기반 항공기 착빙 예측 장치는 데이터 송수신 모듈; 항공기 착빙 예측 프로그램이 저장된 메모리; 및 메모리에 저장된 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함하며, 항공기 착빙 예측 프로그램은, 수집된 기상변수 정보를 착빙 예측 모델에 입력하여 착빙 잠재도를 산출하고, 착빙 잠재도를 임계값과 비교한 결과에 따라 착빙 예상 영역과 착빙 위험 영역에 대한 정보를 제공하되, 착빙 위험 영역은 착빙 잠재도가 임계값 이상인 영역을 나타내며, 착빙 예측 모델은 기상변수 별로 정의된 멤버십 함수를 이용하여 구축된 퍼지논리 모델인 것이다.As a technical means for solving the above-described technical problem, an aircraft icing prediction device based on a numerical meteorological model according to an embodiment of the present invention includes a data transmission and reception module; A memory in which an aircraft icing prediction program is stored; and a processor that executes a program stored in a memory, wherein the aircraft icing prediction program calculates the icing potential by inputting the collected weather variable information into the icing prediction model, and compares the icing potential with the threshold value. It provides information on the icing expected area and the icing risk area, but the icing risk area represents the area where the icing potential is above the threshold, and the icing prediction model is a fuzzy logic model built using a membership function defined for each meteorological variable. .

본 발명의 다른 실시예에 따른 기상 수치모델 기반 항공기 착빙 예측 장치에서 수행하는 항공기 착빙 예측 방법은 (a) 수집된 기상변수 정보를 착빙 예측 모델에 입력하여 착빙 잠재도를 산출하는 단계; (b) 착빙 잠재도를 임계값과 비교하는 단계; 및 (c) 비교한 결과에 따라 착빙 예상 영역과 착빙 위험 영역에 대한 정보를 제공하는 단계를 포함하되, 착빙 예측 모델은 기상변수 별로 정의된 멤버십 함수를 이용하여 구축된 퍼지논리 모델인 것이다.An aircraft icing prediction method performed by an aircraft icing prediction device based on a meteorological numerical model according to another embodiment of the present invention includes the steps of (a) inputting collected meteorological variable information into an icing prediction model to calculate icing potential; (b) comparing the icing potential to a threshold; and (c) providing information on the icing expected area and icing risk area according to the compared results, where the icing prediction model is a fuzzy logic model built using a membership function defined for each meteorological variable.

전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 기온과 상대습도의 두 가지 기상 변수만으로 착빙을 예측하는 종래 기술과 달리 착빙과 관련된 추가적인 기상 변수들을 이용하는 퍼지논리 기반의 수치형 모델을 제공함으로써, 종래 기술 보다 정확하고 정밀한 착빙 영역 예측이 가능하다.According to one of the above-described means of solving the problems of the present invention, unlike the conventional technology that predicts icing with only two meteorological variables, temperature and relative humidity, by providing a fuzzy logic-based numerical model that uses additional meteorological variables related to icing. , it is possible to predict the icing area more accurately and precisely than the prior art.

또한 장기간 관측 자료에 기반한 착빙 예측 모델을 기상청 현업 수치모델에 최적화하여 구축함으로써, 국내 공역에서의 항공기 착빙 예측 정확성과 운영의 효율성을 확보하는 효과가 있다.In addition, by building an icing prediction model based on long-term observation data optimized for the Korea Meteorological Administration's operational numerical model, it is effective in securing aircraft icing prediction accuracy and operational efficiency in domestic airspace.

더불어 본 발명은 착빙 위험 영역이 제공되는 바, 항공기 출발 전 제빙 및 방빙 작업 수행 여부를 결정하고, 위험기상을 사전에 회피하도록 항로 수정을 유도할 수 있다.In addition, since the present invention provides an icing risk area, it is possible to determine whether to perform de-icing and anti-icing work before departure of the aircraft and to induce route correction to avoid hazardous weather in advance.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기상 수치모델 기반 항공기 착빙 예측 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기상 수치모델 기반 항공기 착빙 예측 장치의 세부 모듈을 도시한 블록도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 착빙 예측 모델의 구축 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 결과 출력부가 제공하는 착빙 예측 영역의 예를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기상 수치모델 기반 항공기 착빙 예측 방법을 도시한 순서도이다.
Figure 1 is a configuration diagram of an aircraft icing prediction device based on a numerical meteorological model according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a block diagram showing detailed modules of an aircraft icing prediction device based on a numerical meteorological model according to an embodiment of the present invention.
Figures 3 and 4 are diagrams for explaining the construction process of an icing prediction model according to an embodiment of the present invention.
Figures 5A to 5C are diagrams showing examples of icing prediction areas provided by a result output unit according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a flow chart illustrating a method for predicting aircraft icing based on a numerical meteorological model according to another embodiment of the present invention.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Below, with reference to the attached drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts that are not related to the description are omitted, and similar parts are given similar reference numerals throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to be “connected” to another part, this includes not only cases where it is “directly connected,” but also cases where it is “electrically connected” with another element in between. . Additionally, when a part "includes" a certain component, this means that it may further include other components rather than excluding other components, unless specifically stated to the contrary.

본 명세서에 있어서 '부(部)'란, 하드웨어에 의해 실현되는 유닛(unit), 소프트웨어에 의해 실현되는 유닛, 양방을 이용하여 실현되는 유닛을 포함한다. 또한, 1 개의 유닛이 2 개 이상의 하드웨어를 이용하여 실현되어도 되고, 2 개 이상의 유닛이 1 개의 하드웨어에 의해 실현되어도 된다. 한편, '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니며, '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다.In this specification, 'part' includes a unit realized by hardware, a unit realized by software, and a unit realized using both. Additionally, one unit may be realized using two or more pieces of hardware, and two or more units may be realized using one piece of hardware. Meanwhile, '~ part' is not limited to software or hardware, and '~ part' may be configured to reside in an addressable storage medium or may be configured to reproduce one or more processors. Therefore, as an example, '~ part' refers to components such as software components, object-oriented software components, class components, and task components, processes, functions, properties, and procedures. , subroutines, segments of program code, drivers, firmware, microcode, circuits, data, databases, data structures, tables, arrays, and variables. The functions provided within the components and 'parts' may be combined into a smaller number of components and 'parts' or may be further separated into additional components and 'parts'. Additionally, components and 'parts' may be implemented to refresh one or more CPUs within the device.

네트워크는 단말들 및 서버들과 같은 각각의 노드 상호 간에 정보 교환이 가능한 연결 구조를 의미하는 것으로, 근거리 통신망(LAN: Local Area Network), 광역 통신망(WAN: Wide Area Network), 인터넷 (WWW: World Wide Web), 유무선 데이터 통신망, 전화망, 유무선 텔레비전 통신망 등을 포함한다. 무선 데이터 통신망의 일례에는 3G, 4G, 5G, 3GPP(3rd Generation Partnership Project), LTE(Long Term Evolution), WIMAX(World Interoperability for Microwave Access), 와이파이(Wi-Fi), 블루투스 통신, 적외선 통신, 초음파 통신, 가시광 통신(VLC: Visible Light Communication), 라이파이(LiFi) 등이 포함되나 이에 한정되지는 않는다.Network refers to a connection structure that allows information exchange between nodes such as terminals and servers, including Local Area Network (LAN), Wide Area Network (WAN), and World Wide Area Network (WWW). Wide Web), wired and wireless data communication networks, telephone networks, and wired and wireless television communication networks. Examples of wireless data communication networks include 3G, 4G, 5G, 3GPP (3rd Generation Partnership Project), LTE (Long Term Evolution), WIMAX (World Interoperability for Microwave Access), Wi-Fi, Bluetooth communication, infrared communication, and ultrasound. This includes, but is not limited to, communication, Visible Light Communication (VLC), LiFi, etc.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기상 수치모델 기반 항공기 착빙 예측 장치의 구성도이다.Figure 1 is a configuration diagram of an aircraft icing prediction device based on a numerical meteorological model according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면 항공기 착빙 예측 장치(100)는 데이터 송수신 모듈(110), 메모리(120), 프로세서(130) 및 데이터베이스(140)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1 , the aircraft icing prediction device 100 may include a data transmission/reception module 110, a memory 120, a processor 130, and a database 140.

데이터 송수신 모듈(110)은 기상 수치모델(10)로부터 기상변수 정보를 수신하여 프로세서(130)로 전송할 수 있다. 여기서 데이터 송수신 모듈(110)은 다른 네트워크 장치와 유무선 연결을 통해 제어 신호 또는 데이터 신호와 같은 신호를 송수신하기 위해 필요한 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하는 장치일 수 있다.The data transmission/reception module 110 may receive weather variable information from the weather numerical model 10 and transmit it to the processor 130. Here, the data transmission/reception module 110 may be a device that includes hardware and software required to transmit/receive signals such as control signals or data signals through wired or wireless connections with other network devices.

이때 기상 수치모델(10)은 기상청 전지구통합모델(Unified Model-Global Data Assimilation and Prediction System; 이하 UM)을 의미하며, 기상변수 정보는 전지구통합모델(UM)에서 예측되는 기온, 상대습도, 연직 바람 속도, 구름 물(액체+고체 상) 함량 변수를 의미한다.At this time, the weather numerical model (10) refers to the Korea Meteorological Administration's Global Unified Model (Unified Model-Global Data Assimilation and Prediction System; hereinafter referred to as UM), and the weather variable information includes temperature, relative humidity, and vertical wind predicted in the Global Unified Model (UM). Velocity, cloud water (liquid + solid phase) content variables.

메모리(120)는 항공기 착빙 예측 프로그램이 기록된 것일 수 있다. 항공기 착빙 예측 프로그램은 수집된 기상변수 정보를 착빙 예측 모델에 입력하여 착빙 잠재도를 산출하고, 착빙 잠재도를 임계값과 비교한 결과에 따라 착빙 예상 영역과 착빙 위험 영역에 대한 정보를 제공한다. 여기서, 메모리(120)는 저장된 정보를 유지하기 위하여 전력이 필요한 휘발성 저장장치 외에 자기 저장 매체(magnetic storage media) 또는 플래시 저장 매체(flash storage media)를 포함할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다. The memory 120 may have an aircraft icing prediction program recorded therein. The aircraft icing prediction program calculates the icing potential by inputting the collected weather variable information into the icing prediction model, and provides information on the icing expected area and icing risk area according to the results of comparing the icing potential with the threshold. Here, the memory 120 may include magnetic storage media or flash storage media in addition to volatile storage devices that require power to maintain stored information, but the scope of the present invention is limited thereto. It doesn't work.

메모리(120)는 프로세서(130)의 처리 및 제어를 위한 운영체제 등 별도의 프로그램이 저장될 수도 있고, 입력되거나 출력되는 데이터들의 임시 저장을 위한 기능을 수행할 수도 있다.The memory 120 may store a separate program such as an operating system for processing and controlling the processor 130, and may perform a function for temporarily storing input or output data.

프로세서(130)는 메모리(120)에 저장된 항공기 착빙 예측 프로그램(이하, 프로그램)을 실행하고, 프로그램의 실행에 따라 항공기 착빙 예측 장치(100)의 하드웨어를 제어하는 기능을 제공한다. 즉, 프로세서(130)는 프로그램을 실행함에 따라 필요한 파일 시스템, 메모리 할당, 네트워크, 기본 라이브러리, 타이머, 디바이스 제어(디스플레이, 미디어, 입력장치, 3D 등), 기타 유틸리티 등의 하드웨어 제어 기능을 수행할 수 있다.The processor 130 executes an aircraft icing prediction program (hereinafter referred to as program) stored in the memory 120 and provides a function to control the hardware of the aircraft icing prediction device 100 according to the execution of the program. That is, the processor 130 performs hardware control functions such as file system, memory allocation, network, basic library, timer, device control (display, media, input device, 3D, etc.), and other utilities required as the program is executed. You can.

프로세서(130)는 수집된 기상변수 정보를 착빙 예측 모델에 입력하여 착빙 잠재도를 산출하고, 착빙 잠재도를 임계값과 비교한 결과에 따라 착빙 예상 영역과 착빙 위험 영역에 대한 정보를 제공한다. 또한, 프로그램의 실행에 따른 착빙 예측 과정의 구체적인 각 단계에 대해서는 도 2 내지 도 5c을 참조하여 후술하도록 한다.The processor 130 inputs the collected weather variable information into the icing prediction model to calculate the icing potential, and provides information on the icing expected area and the icing risk area according to the result of comparing the icing potential with the threshold. In addition, each specific step of the icing prediction process according to the execution of the program will be described later with reference to FIGS. 2 to 5C.

프로세서(130)는 데이터를 처리할 수 있는 모든 종류의 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어 프로그램 내에 포함된 코드 또는 명령으로 표현된 기능을 수행하기 위해 물리적으로 구조화된 회로를 갖는, 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치를 의미할 수 있다. 이와 같이 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치의 일 예로써, 마이 크로프로세서(microprocessor), 중앙처리장치(central processing unit: CPU), 프로세서 코어(processor core), 멀티프로세서(multiprocessor), ASIC(application-specific integrated circuit), FPGA(field programmable gate array) 등의 처리 장치를 망라할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.The processor 130 may include all types of devices capable of processing data. For example, it may refer to a data processing device built into hardware that has a physically structured circuit to perform a function expressed by code or instructions included in a program. Examples of data processing devices built into hardware include a microprocessor, central processing unit (CPU), processor core, multiprocessor, and application-specific (ASIC). It may encompass processing devices such as integrated circuits and FPGAs (field programmable gate arrays), but the scope of the present invention is not limited thereto.

데이터베이스(140)는 프로세서(130)의 제어에 따라, 항공기 착빙 예측 장치(100)에 필요한 데이터를 저장 또는 제공한다. 예시적으로, 데이터베이스(140)는 착빙 예측 모델로부터 산출된 착빙 잠재도를 저장할 수 있다. 이러한 데이터베이스(140)는 메모리(120)와는 별도의 구성 요소로서 포함되거나, 또는 메모리(120)의 일부 영역에 구축될 수도 있다.The database 140 stores or provides data necessary for the aircraft icing prediction device 100 under the control of the processor 130. As an example, the database 140 may store the icing potential calculated from an icing prediction model. This database 140 may be included as a separate component from the memory 120 or may be built in a partial area of the memory 120.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기상 수치모델 기반 항공기 착빙 예측 장치의 세부 모듈을 도시한 블록도이다. Figure 2 is a block diagram showing detailed modules of an aircraft icing prediction device based on a numerical meteorological model according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면 프로세서(130)는 항공기 착빙 예측 프로그램의 실행에 따라 다양한 기능을 수행하는 세부 모듈을 포함할 수 있다. 여기서 세부 모듈은 자료수집부(210), 착빙 예측 모델(220), 후처리부(230) 및 결과 출력부(240)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, the processor 130 may include detailed modules that perform various functions depending on the execution of the aircraft icing prediction program. Here, the detailed module may include a data collection unit 210, an icing prediction model 220, a post-processing unit 230, and a result output unit 240.

프로그램은 자료수집부(210)를 통해 수집된 기상변수 정보를 착빙 예측 모델(220)에 입력하여 착빙 잠재도를 산출할 수 있다. 여기서 착빙 예측 모델(220)은 기상변수 별로 정의된 멤버십 함수를 이용하여 구축된 퍼지논리 모델일 수 있다. 착빙 예측 모델(220)의 구축 과정에 대한 구체적인 설명은 도 3 및 도 4를 참조하여 후술하도록 한다.The program can calculate the icing potential by inputting weather variable information collected through the data collection unit 210 into the icing prediction model 220. Here, the icing prediction model 220 may be a fuzzy logic model built using a membership function defined for each meteorological variable. A detailed description of the construction process of the icing prediction model 220 will be described later with reference to FIGS. 3 and 4.

이어서 프로그램은 후처리부(230)를 통해 착빙 잠재도를 임계값과 비교하고, 비교한 결과에 따라 결과 출력부(240)를 통해 착빙 예상 영역과 착빙 위험 영역에 대한 정보를 제공할 수 있다. 이때, 착빙 예상 영역은 착빙의 위험 강도와 상관없이 착빙이 발생할 것으로 예상되는 영역을 모두 포함할 수 있다. 착빙 위험 영역은 착빙 잠재도가 임계값 이상인 영역을 포함할 수 있다. Subsequently, the program compares the icing potential with a threshold value through the post-processing unit 230, and can provide information about the icing expected area and the icing risk area through the result output unit 240 according to the comparison result. At this time, the icing expected area may include all areas where icing is expected to occur regardless of the risk intensity of icing. Icing hazard areas may include areas where the icing potential is above a threshold.

즉 본 발명은 착빙 예상 영역과 착빙 위험 영역에 대한 정보를 제공하므로, 항공기 출발 전 제빙 및 방빙 작업 수행 여부를 결정하고, 위험기상을 사전에 회피하도록 항로 변경을 결정하는데 도움을 줄 수 있다.In other words, the present invention provides information on the icing expected area and the icing risk area, so it can help determine whether to perform de-icing and anti-icing work before departure of the aircraft and determine route changes to avoid dangerous weather in advance.

자료수집부(210)는 전지구통합모델(UM)로부터 3차원 좌표계 상에서 예측된 기상변수 정보를 기 설정된 주기에 따라 수신할 수 있다. The data collection unit 210 may receive weather variable information predicted in a three-dimensional coordinate system from the global unified model (UM) according to a preset period.

예시적으로 자료수집부(210)는 하루 4회, 03, 09, 15, 21KST마다 6시간 간격으로 최대 288시간까지 생성되는 전지구통합모델(UM)의 예측 자료를 수집할 수 있다. 이때 기상변수 정보는 UM의 예측 자료 중에서 기온, 상대습도, 연직 바람 속도, 구름 물 함량을 활용할 수 있다.For example, the data collection unit 210 can collect forecast data of the global unified model (UM) generated up to 288 hours at 6-hour intervals four times a day, at 03, 09, 15, and 21 KST. At this time, weather variable information can utilize temperature, relative humidity, vertical wind speed, and cloud water content among UM's forecast data.

한편, 항공 기상청에서 사용하는 기존의 착빙 예측 방법은 기온과 상대습도만을 기상변수로 수집하는 범주형 알고리즘이나, 범위에 따라 불연속적인 결과가 나타나 정밀성의 문제가 있다. 또한 착빙은 일반적으로 영하 40도에서 0도 사이, 상대습도가 100%에 가까울 때 발생하지만, 두 기상 변수만으로는 착빙 발생의 강도를 예측하는 데 한계가 있다. 이러한 한계를 해결하기 위해 본 발명에서는 착빙 발생과 관련있는 연직 바람 속도, 구름 물 함량을 추가적으로 이용하여 착빙 발생 강도를 예측할 수 있다.Meanwhile, the existing icing prediction method used by the Aviation Meteorological Administration is a categorical algorithm that collects only temperature and relative humidity as meteorological variables, but there is a problem with precision as discontinuous results appear depending on the range. Additionally, icing generally occurs when the temperature is between minus 40 degrees and 0 degrees and the relative humidity is close to 100%, but there is a limit to predicting the intensity of icing occurrence using only two meteorological variables. To solve this limitation, the present invention can predict the intensity of icing occurrence by additionally using vertical wind speed and cloud water content related to icing occurrence.

예시적으로 연직 바람 속도는 구름의 생성, 소산과 관련있는 기상 변수이다. 상승 기류가 존재할 경우 구름이 생성되는데, 공기덩이의 단열 팽창으로 인해 내부 온도가 낮아져 포화수증기압이 감소해 수증기의 응결을 유도한다. 반대로 하강 기류는 공기덩이의 단열 압축으로 인해 내부 온도가 높아져 수증기 응결을 억제하고 구름의 소산을 유도한다. 즉 강한 상승 기류는 수적을 더욱 많이 만들어내 강한 착빙을 발생시킬 수 있다. 따라서, 연직 바람 속도를 착빙 예측 모델(220)의 변수로서 이용하여 강한 착빙이 발생하는 위험 착빙 영역을 예측할 수 있다.For example, vertical wind speed is a meteorological variable related to the creation and dissipation of clouds. When rising air currents exist, clouds are created, and the adiabatic expansion of the air parcel lowers the internal temperature and reduces the saturated water vapor pressure, leading to condensation of water vapor. Conversely, the descending airflow increases the internal temperature due to the adiabatic compression of the air parcel, suppressing water vapor condensation and leading to the dissipation of the cloud. In other words, strong rising air currents can create more water droplets and cause strong icing. Therefore, the vertical wind speed can be used as a variable in the icing prediction model 220 to predict a dangerous icing area where strong icing occurs.

또한 구름 수액량은 기온이 영하일 때 직접적으로 과냉각수적량을 나타내므로 수액량이 많을수록 착빙의 발생 강도가 강해진다. 예를 들어 수치모델에서 계산되는 구름 물방울의 상(phase) 별 혼합비는 미세물리모수화방안에 따라 같은 환경에서도 다를 수 있다. 즉 착빙을 유발하는 과냉각수적이 실제 환경에서 존재하더라도 수치모델은 모수화방안에 따라 액체상(수적) 혼합비는 없거나 적은 대신 착빙과 무관한 눈 등의 입자가 존재하는 것으로 모의할 수 있다. 이 경우, 착빙에 대한 위험도가 과소평가되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 액체상과 고체상의 구름 혼합비를 모두 포함하는 구름 물 함량을 착빙 예측 모델(220)의 변수로서 이용하여 상을 잘못 구분하는 경우를 방지하고 위험 착빙 영역을 정확히 예측할 수 있다.In addition, the amount of cloud sap directly indicates the amount of supercooled water when the temperature is below freezing, so the greater the amount of sap, the stronger the intensity of icing. For example, the mixing ratio for each phase of cloud water droplets calculated in a numerical model may be different even in the same environment depending on the microphysical parameterization method. In other words, even if supercooled water droplets that cause icing exist in the actual environment, depending on the parameterization method, the numerical model can simulate the presence of particles such as snow that are unrelated to icing, instead of having no or low liquid phase (water droplet) mixing ratio. In this case, a problem may arise where the risk of icing is underestimated. Therefore, by using the cloud water content, which includes the cloud mixing ratio of both liquid and solid phases, as a variable in the icing prediction model 220, it is possible to prevent incorrect classification of phases and accurately predict the hazardous icing area.

착빙 예측 모델(220)은 기상변수 별로 정의된 멤버십 함수를 이용하여 구축된 퍼지논리 모델로서, 기 설정된 퍼지논리에 따라 기온에 대한 멤버십 함수, 상대습도에 대한 멤버십 함수, 연직 바람 속도에 대한 멤버십 함수 및 구름 물 함량에 대한 멤버십 함수의 연산을 수행하여 착빙 잠재도를 출력할 수 있다.The icing prediction model 220 is a fuzzy logic model built using membership functions defined for each meteorological variable, and is a membership function for temperature, a membership function for relative humidity, and a membership function for vertical wind speed according to preset fuzzy logic. And the icing potential can be output by performing the calculation of the membership function for the cloud water content.

즉 착빙 예측 모델(220)은 기상변수 정보로서, 기온, 상대습도, 연직 바람 속도 및 구름 물 함량이 입력되면 착빙 잠재도를 산출할 수 있다.That is, the icing prediction model 220 can calculate the icing potential when temperature, relative humidity, vertical wind speed, and cloud water content are input as weather variable information.

도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 착빙 예측 모델의 구축 과정을 설명하기 위한 도면이다.Figures 3 and 4 are diagrams for explaining the construction process of an icing prediction model according to an embodiment of the present invention.

착빙 예측 모델(220)은 각자의 고유한 예측 특성을 가지고 있기 때문에 착빙 환경에 대한 각 변수의 예측 정확성에 따른 중요도가 서로 다를 수 있다. 이때 중요도는 퍼지논리 알고리즘에서 각 변수에 할당된 가중치로 볼 수 있다. 착빙 예측 모델(220)은 기상청 전지구통합모델에 적합한 가중치 조합을 선택하기 위해, 230개의 가중치 조합을 관측 자료에 대해 통계적으로 검증하여 가장 높은 예측 정확성을 보인 조합을 설정하였다.Because the icing prediction model 220 has its own unique prediction characteristics, the importance of the prediction accuracy of each variable for the icing environment may be different. At this time, importance can be viewed as the weight assigned to each variable in the fuzzy logic algorithm. In order to select a weight combination suitable for the Korea Meteorological Administration's global integrated model, the icing prediction model 220 statistically verified 230 weight combinations against observation data and set the combination that showed the highest prediction accuracy.

예시적으로 착빙 예측 모델(220)의 구축을 위한 착빙 관측 자료는 조종사가 주관적으로 착빙 심각도를 판단하여 지상 관제소에 보고하는 간접적인 방법으로 수집된다. 이러한 간접 수집 방법은 조종사 보고자료(Pilot Report; PIREP)라고 하며, (비)정기적 항공편의 운항 중에 착빙이 발생하면, 조종사는 위급한 상황을 벗어난 후(착빙에 대한 대처를 한 후) 지상 관제소에 발생 위치, 시각, 착빙 강도를 보고한다. 전세계적으로 하루에는 수 천편 이상의 항공기가 운항되므로, 자료 수가 직접적인 관측 자료보다 훨씬 많다. 여기서 직접적인 관측 자료란 연구 등의 목적으로 착빙 발생 영역을 의도적으로 비행하여 기상 환경을 직접적으로 관측한 자료를 의미한다.For example, icing observation data for building the icing prediction model 220 is collected indirectly by a pilot subjectively determining the severity of icing and reporting it to the ground control center. This indirect collection method is called Pilot Report (PIREP), and when icing occurs during the operation of an (irregular) flight, the pilot reports to ground control after escaping the emergency situation (after responding to the icing). Report location, time, and severity of icing. Since there are thousands of flights per day around the world, the number of data is much larger than direct observation data. Here, direct observation data refers to data that directly observes the meteorological environment by intentionally flying over an area where icing occurs for purposes such as research.

따라서 본 발명은 착빙 예측 모델(220)의 구축 시에 가능한 많은 자료 확보를 위해 PIREP를 활용하였다. 여기서 PIREP는 발생 위치(경도, 위도, 고도), 시각, 착빙 발생 강도 등에 대한 정보가 포함되어 있기 때문에, 해당 위치 및 시각에 대해 착빙 관련 변수에 대한 착빙 예측 모델(220)의 예측 결과를 얻을 수 있다. Therefore, the present invention utilized PIREP to secure as much data as possible when building the icing prediction model 220. Here, since PIREP includes information on the location of occurrence (longitude, latitude, altitude), time, intensity of icing occurrence, etc., prediction results of the icing prediction model 220 for icing-related variables can be obtained for the location and time. there is.

전술한 바와 같이 본 발명에서는 착빙 예측성을 향상하기 위해, 액체상과 더불어 고체상인 구름 내 빙정량을 기상변수로서 이용할 수 있다. 하지만 PIREP에는 본 발명에서 예측하고자 하는 착빙의 유형과는 다른 엔진 착빙 유형(많은 빙정이 엔진으로 흡입되며 엔진 고장)이 포함되어 있다. 따라서, 엔진 착빙 유형을 제외하고, 25000 ft 이하에서 보고된 PIREP를 사용하였다. 본 발명에서 이용한 PIREP 자료는 2015년 10월부터 2018년 7월까지 약 3년간 수집된 자료이다. 해당 자료에서 착빙 강도는 null(미발생), trace-light(약강도), light-moderate(약중강도), moderate(중강도), moderate-severe(중강강도), severe(강강도)로 구분되어 있으며, 각 강도별 보고 수는 도3에 도시된 바와 같다. As described above, in the present invention, in order to improve icing predictability, the amount of ice crystals in the cloud, which is solid as well as liquid, can be used as a meteorological variable. However, PIREP includes a type of engine icing (many ice crystals are sucked into the engine and engine failure) that is different from the type of icing intended to be predicted in the present invention. Therefore, excluding engine icing types, PIREPs reported below 25000 ft were used. The PIREP data used in the present invention was collected over a period of approximately 3 years from October 2015 to July 2018. In the data, the icing intensity is divided into null, trace-light, light-moderate, moderate, moderate-severe, and severe. The number of reports for each intensity is as shown in Figure 3.

각 기상 변수별로 정의된 멤버십 함수는 변수의 수치별로 착빙에 대한 잠재력을 나타낸다. 따라서 착빙 발생 지점들에서 예측(관측)된 변수의 특정 수치에 대한 빈도는 착빙의 잠재력에 상응한다고 볼 수 있다. 이러한 사실에 기반하여 착빙 예측 모델(20)은 중강도 이상의 착빙 보고 지점에서 UM이 모의한 알고리즘 변수별 예측값들을 확률밀도함수와 누적분포함수로 계산하였다. 각 멤버십 함수는 확률밀도함수 또는 누적분포함수를 따르도록 수식1 내지 수식4로 정의된다.The membership function defined for each meteorological variable represents the potential for icing for each variable's value. Therefore, the frequency of specific values of the predicted (observed) variable at icing occurrence points can be considered to correspond to the potential for icing. Based on this fact, the icing prediction model (20) calculated the predicted values for each algorithm variable simulated by UM at the point where icing of medium or higher intensity was reported using the probability density function and cumulative distribution function. Each membership function is defined by Equation 1 to Equation 4 to follow a probability density function or cumulative distribution function.

기온에 대한 멤버십 함수(MT)는 수식1과 같다.The membership function (M T ) for temperature is as shown in Equation 1.

<수식1><Formula 1>

이때 T는 기온이며, UM으로부터 예측된 기상변수 정보이고, T1 = -30℃, T2 = -20℃, T3 = -10℃, T4 = -5℃, T5 = 1℃ 이다.At this time, T is the temperature and weather variable information predicted from UM, and T 1 = -30℃, T 2 = -20℃, T 3 = -10℃, T 4 = -5℃, T 5 = 1℃.

상대습도에 대한 멤버십 함수(MRH)는 수식2와 같다. The membership function (M RH ) for relative humidity is as shown in Equation 2.

<수식2><Formula 2>

이때 RH는 상대습도이며, UM으로부터 예측된 기상변수 정보이고, RH1 = 30%, RH2 = 60%, RH3 = 80%, RH4 = 90%, RH5 = 100%이다.At this time, RH is relative humidity and weather variable information predicted from UM, and RH 1 = 30%, RH 2 = 60%, RH 3 = 80%, RH 4 = 90%, and RH 5 = 100%.

연직 바람 속도에 대한 멤버십 함수(Mw)는 수식3과 같다.The membership function (M w ) for vertical wind speed is given in Equation 3.

<수식3><Formula 3>

이때 w는 연직 바람 속도이며, UM으로부터 예측된 기상변수 정보이고, w1 = -0.1m/s, w2 = 0 m/s, w3 = 0.05m/s, w4 = 0.1m/s이다.At this time, w is the vertical wind speed and weather variable information predicted from UM, w 1 = -0.1 m/s, w 2 = 0 m/s, w 3 = 0.05 m/s, w 4 = 0.1 m/s. .

구름 물 함량에 대한 멤버십 함수(MCWC)는 수식4와 같다.The membership function (M CWC ) for cloud water content is given in Equation 4.

<수식4><Formula 4>

이때 CWC는 구름 물 함량이며, UM으로부터 예측된 기상변수 정보이고, CWC1 = 0.05g/kg, CWC2 = 0.1g/kg, CWC3 = 0.2g/kg, CWC4 = 0.4g/kg이다.At this time, CWC is the cloud water content and weather variable information predicted from UM, and CWC 1 = 0.05g/kg, CWC 2 = 0.1g/kg, CWC 3 = 0.2g/kg, and CWC 4 = 0.4g/kg.

일 예로, 착빙 예측 모델(220)은 기상변수 별로 정의된 수식1 내지 4의 멤버십 함수를 기 설정된 퍼지논리에 따라 수식5와 같이 나타낼 수 있다. 즉 착빙 예측 모델(220)은 수식5를 통해 단일 예보장의 착빙 잠재도를 계산할 수 있다.As an example, the icing prediction model 220 may express the membership functions of Equations 1 to 4 defined for each meteorological variable as Equation 5 according to a preset fuzzy logic. That is, the icing prediction model 220 can calculate the icing potential of a single forecast field through Equation 5.

<수식5><Formula 5>

여기서, MT는 기온에 대한 멤버십 함수, MRH는 상대습도에 대한 멤버십 함수, Mw는 연직 바람 속도에 대한 멤버십 함수, MCWC는 구름 물 함량에 대한 멤버십 함수를 나타낸다. 각 멤버십 함수에 대한 계수는 예를 들면, a=0.5, b=0.15, c=0.35로 설정될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 착빙 참재도는 0 내지 1 의 수치로 산출되며, 수치가 클수록 착빙 발생 가능성이 크고, 예상 발생 강도가 강함을 의미한다.Here, M T represents the membership function for temperature, M RH represents the membership function for relative humidity, M w represents the membership function for vertical wind speed, and M CWC represents the membership function for cloud water content. The coefficients for each membership function may be set to, for example, a=0.5, b=0.15, and c=0.35, but the present invention is not limited thereto. The icing severity is calculated as a number between 0 and 1, and the larger the number, the greater the possibility of icing occurring and the stronger the expected occurrence intensity.

다른 예로, 착빙 예측 모델(220)은 여러 예측 결과를 동시에 이용하는 타임래그 앙상블(Time-Lagged Ensemble) 기반의 수식6을 포함할 수 있다. As another example, the icing prediction model 220 may include Equation 6 based on a time-lagged ensemble that uses multiple prediction results simultaneously.

타임래그 앙상블은 하나의 예측 유효 시간에 대해 여러 시간에 생산된 예측 자료를 활용하는 방법이다. 예를 들어 2022년 10월 15일 00 UTC의 착빙 예측 정보를 생산하는 경우, 14일 18 UTC에 생산된 6시간 예측자료, 14일 12 UTC에 생산된 12시간 예측자료, 14일 06 UTC에 생산된 18시간 예측자료, 14일 00 UTC에 생산된 24시간과 같이 다수의 예측 자료를 동시에 이용할 수 있다. Time lag ensemble is a method of utilizing forecast data produced at multiple times for one forecast effective time. For example, if icing forecast information is produced at 00 UTC on October 15, 2022, the 6-hour forecast produced at 18 UTC on the 14th, the 12-hour forecast produced at 12 UTC on the 14th, and the 6-hour forecast produced at 06 UTC on the 14th. Multiple forecast data can be used simultaneously, such as 18-hour forecast data produced at 00 UTC on the 14th.

일 예로, 도 4는 6시간 간격, 12-36시간 타임래그 앙상블을 사용하는 경우의 예시이다. 현재 기상 수치모델은 매일 00, 06, 12, 18 협정세계시(UTC)마다 3시간 간격으로 3~84시간, 6시간 간격으로 84~288시간(00, 12 UTC만 해당) 후의 예측 자료가 생산된다. 즉 기상 수치모델의 특성상 예측 시간이 길어질수록 예측 정확도가 감소한다. 따라서 착빙 예측 모델(220)은 6시간 간격으로 최대 48시간까지의 예측 자료만을 사용하여, 타임래그 앙상블 기반의 수식6을 고안하였다.As an example, Figure 4 is an example of using a 6-hour interval, 12-36 hour time lag ensemble. The current weather numerical model produces forecast data every day at 00, 06, 12, and 18 Coordinated Universal Time (UTC) for 3 to 84 hours at 3-hour intervals and 84 to 288 hours (00 and 12 UTC only) at 6-hour intervals. do. In other words, due to the nature of numerical weather models, the longer the prediction time, the lower the prediction accuracy. Therefore, the icing prediction model 220 designed Equation 6 based on time lag ensemble, using only forecast data up to 48 hours at 6-hour intervals.

<수식6><Formula 6>

이에 따라 수식 6은 여러 예측 결과를 동시에 이용하여 단일 예보장(수식 5) 보다 실제에 가까운 값(착빙 잠재도)을 예측할 수 있다.Accordingly, Equation 6 can predict a value (icing potential) that is closer to the actual value than a single forecast field (Equation 5) by using multiple prediction results simultaneously.

여기서, MT는 기온에 대한 멤버십 함수, MRH는 상대습도에 대한 멤버십 함수, Mw는 연직 바람 속도에 대한 멤버십 함수, MCWC는 구름 물 함량에 대한 멤버십 함수로 정의된다. 또한 아래 첨자 6t는 6시간 간격의 예측 시간(6, 12, ..., 48), N은 이용한 예측 자료의 수(8개), W는 예측 시간별 가중치를 의미한다.Here, M T is a membership function for temperature, M RH is a membership function for relative humidity, M w is a membership function for vertical wind speed, and M CWC is a membership function for cloud water content. In addition, the subscript 6t refers to the prediction time in 6-hour intervals (6, 12, ..., 48), N refers to the number of prediction data used (8), and W refers to the weight for each prediction time.

예측 시간이 길어질수록 예측 정확도가 감소하는 점을 고려하여 각 예측 시간별 가중치(W)는 수식7과 같이 정의될 수 있다.Considering that prediction accuracy decreases as the prediction time becomes longer, the weight (W) for each prediction time can be defined as Equation 7.

이때 예측 시간, 예측 자료 개수와 가중치는 사용되는 기상 수치모델의 자료에 따라 달리 설정될 수 있다. 가중치를 결정하는 방법은 향후 관측 자료 등을 이용하여 예측 정량 지표 중 하나인 Area Under Receiver Opearting Characteristics Curve (AUC), Root Mean Square Error (RMSE), bias 등을 이용할 수도 있다.At this time, the prediction time, number of prediction data, and weights can be set differently depending on the data of the numerical weather model used. To determine the weight, you can use future observation data, etc., and use one of the predictive quantitative indicators, such as Area Under Receiver Opearting Characteristics Curve (AUC), Root Mean Square Error (RMSE), and bias.

<수식7><Formula 7>

후처리부(230)는 3차원 좌표계 상의 착빙 잠재도를 격자 좌표 상의 비행 고도로 수직 차원 변환하되, 내삽법을 이용하여 착빙 잠재도를 비행 고도(Flight Level, FL)의 각 단위 별로 연산할 수 있다. 이어서 후처리부(230)는 격자 좌표 상에서 착빙 잠재도가 임계값 이하의 영역을 필터링하고, 임계값 이상인 영역의 최상부 고도와 최하부 고도를 산출할 수 있다.The post-processing unit 230 vertically converts the icing potential on a three-dimensional coordinate system to the flight altitude on grid coordinates, and can calculate the icing potential for each unit of flight altitude (FL) using an interpolation method. Subsequently, the post-processing unit 230 may filter out areas where the icing potential is below the threshold on the grid coordinates and calculate the highest and lowest altitudes of the areas where the icing potential is above the threshold.

예를 들어, 후처리부(230)는 비행고도의 FL010부터 FL300까지 FL010단위로 30개 층으로 착빙 잠재도를 내삽할 수 있다. 이후 강한 착빙이 일어날 것으로 예상되는 영역을 시각화하기 위해 차원 변환된 격자 좌표 상에서 착빙 잠재도가 0.2 미만인 영역을 필터링하며, 격자 좌표 상에서 0.2 이상인 영역의 최하부와 최상부 고도를 계산할 수 있다. 즉 0.2 이상인 영역이 착빙 위험 영역으로 제공될 수 있다.For example, the post-processing unit 230 can interpolate the icing potential into 30 layers in units of FL010 from FL010 to FL300 of the flight altitude. Afterwards, in order to visualize areas where strong icing is expected to occur, areas with an icing potential of less than 0.2 are filtered on the dimensionally transformed grid coordinates, and the lowest and highest elevations of areas with an icing potential of 0.2 or more on the grid coordinates can be calculated. In other words, the area with 0.2 or more can be provided as the icing risk area.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 결과 출력부가 제공하는 착빙 예측 영역의 예를 도시한 도면이다.Figures 5A to 5C are diagrams showing examples of icing prediction areas provided by a result output unit according to an embodiment of the present invention.

결과 출력부(240)는 전체 비행 고도에 대한 최대 착빙 잠재도를 모두 시각화하여 착빙 예상 영역을 제공하고, 최상부 고도와 최하부 고도로 산출된 착빙 잠재도를 시각화하여 각각의 착빙 위험 영역을 제공할 수 있다.The result output unit 240 provides an icing expected area by visualizing the maximum icing potential for the entire flight altitude, and provides each icing risk area by visualizing the icing potential calculated by the highest and lowest altitudes. .

예를 들어, 착빙 예상 영역은 수직 방향의 최대 착빙 잠재도를 수평면에 나타낸 결과(도5a에 도시)로 제공하고, 착빙 위험 영역은 강한 착빙이 예상되는 최상부 고도를 나타낸 결과(도 5b에 도시)와 최하부 고도를 나타낸 결과(도 5c에 도시)로 제공할 수 있다. 즉 본 발명은 도5a 내지 도 5c와 같은 결과를 통해 3차원 상에서 강한 착빙의 예상 영역을 빠르고 간단하게 확인할 수 있다.For example, the expected icing area provides the maximum icing potential in the vertical direction as shown in the horizontal plane (shown in Figure 5a), and the icing risk area provides the result showing the highest elevation where strong icing is expected (shown in Figure 5b). and the lowest elevation can be provided as a result (shown in Figure 5c). That is, the present invention can quickly and simply confirm the expected area of strong icing in three dimensions through the results shown in Figures 5a to 5c.

예시적으로 도 5a에 도시된 착빙 잠재도는 0에서 1 사이의 수치로 산출될 수 있다. 0에서 0.07 사이의 착빙 잠재도는 약한 강도의 착빙(해당 환경에서 1시간 이상 비행하는 경우 문제가 될 수 있는 수준) 이 발생하는 것으로 해석할 수 있다. 0.07에서 0.2 사이의 착빙 잠재도는 약-중강도의 착빙이 발생하는 것으로 해석할 수 있다. 0.2 이상의 착빙 잠재도는 중강도 이상의 착빙(착빙 방지 시스템 가동 등의 대비가 필요한 수준)이 발생하는 것으로 해석할 수 있다.By way of example, the icing potential shown in FIG. 5A may be calculated as a value between 0 and 1. An icing potential between 0 and 0.07 can be interpreted as low-intensity icing (a level that may be problematic when flying in that environment for more than an hour). An icing potential between 0.07 and 0.2 can be interpreted as mild-to-medium intensity icing occurring. An icing potential of 0.2 or higher can be interpreted as icing of medium or higher intensity (a level that requires preparation, such as operation of an icing prevention system).

이하에서는 상술한 도 1 내지 도 5c에 도시된 구성 중 동일한 구성의 설명은 생략하도록 한다.Hereinafter, descriptions of the same components among those shown in FIGS. 1 to 5C will be omitted.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기상 수치모델 기반 항공기 착빙 예측 방법을 도시한 순서도이다.Figure 6 is a flow chart illustrating a method for predicting aircraft icing based on a numerical meteorological model according to another embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면 기상 수치모델 기반 항공기 착빙 예측 장치에서 수행하는 항공기 착빙 예측 방법은 수집된 기상변수 정보를 착빙 예측 모델에 입력하여 착빙 잠재도를 산출하는 단계(S110), 착빙 잠재도를 임계값과 비교하는 단계(S120) 및 비교한 결과에 따라 착빙 예상 영역과 착빙 위험 영역에 대한 정보를 제공하는 단계(S130)를 포함한다. Referring to FIG. 6, the aircraft icing prediction method performed by the aircraft icing prediction device based on a meteorological numerical model includes inputting the collected meteorological variable information into the icing prediction model to calculate the icing potential (S110), and setting the icing potential to a threshold value. It includes a step of comparing with (S120) and a step of providing information on the icing expected area and the icing risk area according to the comparison result (S130).

이때 착빙 예측 모델은 기상변수 별로 정의된 멤버십 함수를 이용하여 구축된 퍼지논리 모델인 것이다. At this time, the icing prediction model is a fuzzy logic model built using membership functions defined for each meteorological variable.

착빙 예측 모델은 기상변수 정보로서, 기온, 상대습도, 연직 바람 속도 및 구름 물 함량이 입력되면, 기 설정된 퍼지논리에 따라 기온에 대한 멤버십 함수, 상대습도에 대한 멤버십 함수, 연직 바람 속도에 대한 멤버십 함수 및 구름 물 함량에 대한 멤버십 함수의 연산을 수행하여 착빙 잠재도를 출력할 수 있다.The icing prediction model is meteorological variable information, and when temperature, relative humidity, vertical wind speed, and cloud water content are input, a membership function for temperature, a membership function for relative humidity, and a membership function for vertical wind speed follow a preset fuzzy logic. The icing potential can be output by performing calculations on the membership function for the function and cloud water content.

S110 단계는 전지구통합모델로부터 3차원 좌표계 상에서 예측된 기상변수 정보를 기 설정된 주기에 따라 수신하는 단계를 포함할 수 있다.Step S110 may include receiving weather variable information predicted in a three-dimensional coordinate system from the global integrated model according to a preset period.

S120 단계는 3차원 좌표계 상의 착빙 잠재도를 격자 좌표 상의 비행 고도로 수직 차원 변환하되, 내삽법을 이용하여 착빙 잠재도를 비행 고도의 각 단위 별로 연산하는 단계, 격자 좌표 상에서 착빙 잠재도가 임계값 미만의 영역을 필터링하는 단계, 및 임계값 이상인 영역의 최상부 고도와 최하부 고도를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.Step S120 is a step of vertically converting the icing potential on the 3D coordinate system to the flight altitude on grid coordinates, and calculating the icing potential for each unit of flight altitude using an interpolation method, where the icing potential on the grid coordinates is less than the threshold. It may include filtering the area, and calculating the highest and lowest altitudes of the area that are above the threshold.

S130 단계는 전체 비행 고도에 대한 최대 착빙 잠재도를 모두 시각화하여 착빙 예상 영역을 제공하고, 최상부 고도와 최하부 고도로 산출된 착빙 잠재도를 시각화하여 각각의 착빙 위험 영역을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.Step S130 may include providing an icing expected area by visualizing all of the maximum icing potential for the entire flight altitude, and providing each icing risk area by visualizing the icing potential calculated by the highest and lowest altitudes. .

본 발명의 일 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체를 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. One embodiment of the present invention may also be implemented in the form of a recording medium containing instructions executable by a computer, such as program modules executed by a computer. Computer-readable media can be any available media that can be accessed by a computer and includes both volatile and non-volatile media, removable and non-removable media. Additionally, computer-readable media may include computer storage media. Computer storage media includes both volatile and non-volatile, removable and non-removable media implemented in any method or technology for storage of information such as computer-readable instructions, data structures, program modules or other data.

본 발명의 장치 및 방법은 특정 실시예와 관련하여 설명되었지만, 그것들의 구성 요소 또는 동작의 일부 또는 전부는 범용 하드웨어 아키텍쳐를 갖는 컴퓨터 시스템을 사용하여 구현될 수 있다.Although the devices and methods of the present invention have been described with respect to specific embodiments, some or all of their components or operations may be implemented using a computer system having a general-purpose hardware architecture.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다. The description of the present invention described above is for illustrative purposes, and those skilled in the art will understand that the present invention can be easily modified into other specific forms without changing the technical idea or essential features of the present invention. will be. Therefore, the embodiments described above should be understood in all respects as illustrative and not restrictive. For example, each component described as unitary may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may also be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the claims described below rather than the detailed description above, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention. do.

10: 기상 수치 모델
100: 항공기 착빙 예측 장치
110: 데이터 송수신 모듈
120: 메모리
130: 프로세서
140: 데이터베이스
10: Numerical meteorological model
100: Aircraft icing prediction device
110: Data transmission/reception module
120: memory
130: processor
140: database

Claims (10)

기상 수치모델 기반 항공기 착빙 예측 장치에 있어서,
데이터 송수신 모듈;
항공기 착빙 예측 프로그램이 저장된 메모리; 및
상기 메모리에 저장된 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함하며,
상기 항공기 착빙 예측 프로그램은, 수집된 기상변수 정보를 착빙 예측 모델에 입력하여 착빙 잠재도를 산출하고, 상기 착빙 잠재도를 임계값과 비교한 결과에 따라 착빙 예상 영역과 착빙 위험 영역에 대한 정보를 제공하되,
상기 착빙 위험 영역은 상기 착빙 잠재도가 임계값 이상인 영역을 나타내며,
상기 착빙 예측 모델은 기상변수 별로 정의된 멤버십 함수를 이용하여 구축된 퍼지논리 모델인 것인, 항공기 착빙 예측 장치.
In the aircraft icing prediction device based on a meteorological numerical model,
Data transmission/reception module;
A memory in which an aircraft icing prediction program is stored; and
It includes a processor that executes a program stored in the memory,
The aircraft icing prediction program calculates the icing potential by inputting the collected weather variable information into the icing prediction model, and provides information on the icing expected area and icing risk area according to the result of comparing the icing potential with the threshold. Provide,
The icing risk area represents an area where the icing potential is above a threshold,
The icing prediction model is a fuzzy logic model built using a membership function defined for each meteorological variable.
제1항에 있어서,
상기 항공기 착빙 예측 프로그램은
전지구통합모델로부터 3차원 좌표계 상에서 예측된 상기 기상변수 정보를 기 설정된 주기에 따라 수신하는 것인, 항공기 착빙 예측 장치.
According to paragraph 1,
The aircraft icing prediction program is
An aircraft icing prediction device that receives the weather variable information predicted in a three-dimensional coordinate system from a global integrated model according to a preset period.
제1항에 있어서,
상기 항공기 착빙 예측 프로그램은
3차원 좌표계 상의 상기 착빙 잠재도를 격자 좌표 상의 비행 고도로 수직 차원 변환하되, 내삽법을 이용하여 상기 착빙 잠재도를 상기 비행 고도의 각 단위 별로 연산하고, 상기 격자 좌표 상에서 상기 착빙 잠재도가 임계값 미만의 영역을 필터링하고, 상기 임계값 이상인 영역의 최상부 고도와 최하부 고도를 산출하는 것인, 항공기 착빙 예측 장치.
According to paragraph 1,
The aircraft icing prediction program is
The icing potential on a three-dimensional coordinate system is vertically converted to a flight altitude on grid coordinates, the icing potential is calculated for each unit of the flight altitude using an interpolation method, and the icing potential on the grid coordinates is set to a threshold value. An aircraft icing prediction device that filters the area below the threshold and calculates the highest and lowest altitudes of the area above the threshold.
제3항에 있어서,
상기 항공기 착빙 예측 프로그램은
전체 비행 고도에 대한 최대 착빙 잠재도를 모두 시각화하여 착빙 예상 영역을 제공하고, 상기 최상부 고도와 최하부 고도로 산출된 착빙 잠재도를 시각화하여 각각의 착빙 위험 영역을 제공하는 것인, 항공기 착빙 예측 장치.
According to paragraph 3,
The aircraft icing prediction program is
An aircraft icing prediction device that provides an icing expected area by visualizing the maximum icing potential for the entire flight altitude, and provides each icing risk area by visualizing the icing potential calculated for the highest and lowest altitudes.
제1항에 있어서,
상기 착빙 예측 모델은
상기 기상변수 정보로서, 기온, 상대습도, 연직 바람 속도 및 구름 물 함량이 입력되면,
기 설정된 퍼지논리에 따라 기온에 대한 멤버십 함수, 상대습도에 대한 멤버십 함수, 연직 바람 속도에 대한 멤버십 함수 및 구름 물 함량에 대한 멤버십 함수의 연산을 수행하여 상기 착빙 잠재도를 출력하는 것인, 항공기 착빙 예측 장치.
According to paragraph 1,
The icing prediction model is
When temperature, relative humidity, vertical wind speed, and cloud water content are input as the weather variable information,
An aircraft that outputs the icing potential by performing calculations of a membership function for temperature, a membership function for relative humidity, a membership function for vertical wind speed, and a membership function for cloud water content according to a preset fuzzy logic. Icing prediction device.
기상 수치모델 기반 항공기 착빙 예측 장치에서 수행하는 항공기 착빙 예측 방법에 있어서,
(a) 수집된 기상변수 정보를 착빙 예측 모델에 입력하여 착빙 잠재도를 산출하는 단계;
(b) 상기 착빙 잠재도를 임계값과 비교하는 단계; 및
(c) 상기 비교한 결과에 따라 착빙 예상 영역과 착빙 위험 영역에 대한 정보를 제공하는 단계를 포함하되,
상기 착빙 위험 영역은 상기 착빙 잠재도가 임계값 이상인 영역을 나타내며,
상기 착빙 예측 모델은 기상변수 별로 정의된 멤버십 함수를 이용하여 구축된 퍼지논리 모델인 것인, 항공기 착빙 예측 방법.
In the aircraft icing prediction method performed by an aircraft icing prediction device based on a meteorological numerical model,
(a) inputting the collected weather variable information into an icing prediction model to calculate the icing potential;
(b) comparing the icing potential to a threshold; and
(c) including providing information on the icing expected area and icing risk area according to the comparison results,
The icing risk area represents an area where the icing potential is above a threshold,
The icing prediction model is a fuzzy logic model built using a membership function defined for each meteorological variable.
제6항에 있어서,
상기 (a) 단계는
전지구통합모델로부터 3차원 좌표계 상에서 예측된 상기 기상변수 정보를 기 설정된 주기에 따라 수신하는 단계를 포함하는 것인, 항공기 착빙 예측 방법.
According to clause 6,
The step (a) is
A method for predicting aircraft icing, comprising receiving the weather variable information predicted in a three-dimensional coordinate system from a global integrated model according to a preset period.
제6항에 있어서,
상기 (b) 단계는
3차원 좌표계 상의 상기 착빙 잠재도를 격자 좌표 상의 비행 고도로 수직 차원 변환하되, 내삽법을 이용하여 상기 착빙 잠재도를 상기 비행 고도의 각 단위 별로 연산하는 단계,
상기 격자 좌표 상에서 상기 착빙 잠재도가 임계값 미만의 영역을 필터링하는 단계, 및
상기 임계값 이상인 영역의 최상부 고도와 최하부 고도를 산출하는 단계를 포함하는 것인, 항공기 착빙 예측 방법.
According to clause 6,
Step (b) above is
Vertically converting the icing potential in a three-dimensional coordinate system to a flight altitude in grid coordinates, and calculating the icing potential for each unit of the flight altitude using an interpolation method,
filtering out areas where the icing potential is below a threshold on the grid coordinates, and
A method for predicting aircraft icing, comprising the step of calculating the highest altitude and lowest altitude of the area above the threshold.
제8항에 있어서,
상기 (c) 단계는
전체 비행 고도에 대한 최대 착빙 잠재도를 모두 시각화하여 착빙 예상 영역을 제공하고, 상기 최상부 고도와 최하부 고도로 산출된 착빙 잠재도를 시각화하여 각각의 착빙 위험 영역을 제공하는 단계를 포함하는 것인, 항공기 착빙 예측 방법.
According to clause 8,
The step (c) is
An aircraft comprising the steps of providing an icing expected area by visualizing all of the maximum icing potential for the entire flight altitude, and providing each icing risk area by visualizing the icing potential calculated for the highest and lowest altitudes. How to predict icing.
제6항에 있어서,
상기 착빙 예측 모델은
상기 기상변수 정보로서, 기온, 상대습도, 연직 바람 속도 및 구름 물 함량이 입력되면,
기 설정된 퍼지논리에 따라 기온에 대한 멤버십 함수, 상대습도에 대한 멤버십 함수, 연직 바람 속도에 대한 멤버십 함수 및 구름 물 함량에 대한 멤버십 함수의 연산을 수행하여 상기 착빙 잠재도를 출력하는 것인, 항공기 착빙 예측 방법.
According to clause 6,
The icing prediction model is
When temperature, relative humidity, vertical wind speed, and cloud water content are input as the weather variable information,
An aircraft that outputs the icing potential by performing calculations of a membership function for temperature, a membership function for relative humidity, a membership function for vertical wind speed, and a membership function for cloud water content according to a preset fuzzy logic. How to predict icing.
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KR102043227B1 (en) 2014-03-03 2019-11-11 더 보잉 컴파니 Systems and methods for predicting and controlling ice formation

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