KOTI-Brief
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Focus ___ 02
항공교통흐름관리 기반의 효율적 공역활용 방안
효율적인 공역관리를 위하여 공역구조의 변경 측면이 아니라 항공교통흐름을 관리하여 수요와 용량을 균 형을 달성하는 항공교통흐름관리(ATFM)를 중심으로 국내에 적용할 수 있는 기술적 운영방안 정립과 정책 적 운영방안을 제시한다.
김준혁, 안미진, 김연명
Research Trends ___ 9
공역안전평가 기법 연구
: 국제 공동연구 수행 로드맵 수립 및 안전평가 기법 기초연구
본 연구는 터미널 지역에 대한 한·일 간의 공동연구를 통하여 기존에 축적된 기술을 습득하고, 터미널 지역의 ‘효율성’과 ‘안전성’을 확보할 수 있는 방법론을 선제적으로 연구하는 데 목적이 있다.
한재현, 김준혁, 안미진
KOTI News ___ 12
V OL.6 / No.18 2014.12.12
Focus
항공교통흐름관리 기반의
효율적 공역활용 방안
한국교통연구원 김연명 선임연구위원 김준혁한국교통연구원 부연구위원
안미진 한국교통연구원
연구원
연구 개요
최근 지속적으로 증가하는 항공교통량으로 인해 공역의 과 밀화가 급속하게 진행되고 있다. 이렇게 증가하는 항공교통 량의 효과적 관리를 위해 최근 많은 선진국이 제시한 항공
교통관리(ATM)는 과거 항공관제 분야에 국한된 범위를 뛰어
넘어 항행시설, 공항, 운항, 항공정보, 관제 등 항공교통의 전 분야를 유기적으로 연결하여 운영의 시너지를 극대화하 는 개념으로 발전하고 있으며, 위성 등 신기술과 항공전자공 학 등 진일보한 항공관련 기술들을 반영하여 미래 항공교통 환경을 구축해 가고 있다. 효율적 공역운영과 항공교통흐름 관리(ATFM, Air Traffic Flow Management)는 공역 수용량을 최대화 하고 지연을 최소화하는 항공교통관리를 위한 상호보완적인 존재로서 이에 관한 이론적이고 정책적인 연구가 필요한 시 점이다.
이에 본 연구는 국내에 적합한 효율적인 공역활용 방안 모색 을 목표로 향후 국내에서 수요・용량 관리를 수행할 수 있는 기반을 마련하고자 한다.
국내 공역체계 및 운영현황
공역구조의 복잡성
우리나라 공역은 매우 협소한 면적에도 불구하고 사용목적 에 따라 관제공역, 비관제공역, 통제공역, 주의공역 등으로 구분하여 세부적으로 약 250여 개의 구역으로 구분하고 있 다. 또한 항공교통업무 제공에 따라 관제공역 및 비관제공역 을 A. B, C, D, E, G 등급으로 구분하고 있다. 또한 항공교통 센터는 원활한 항공교통업무 제공을 위하여 비행정보구역을 8개의 관제구역으로 분할하여 업무를 수행하고 있으며, 이와
더불어 14개의 접근관제소를 두어 항공교통관제업무를 위임 하고 있다. 또한 이러한 세분화된 공역들은 서로 중첩되어 있 어 공역의 관리도 용이하지 않다. 따라서 협소한 공역을 효율 적으로 운영할 수 있도록 섹터의 통폐합과 같은 공역구조의 개편이 필요하다.
공역활용의 비효율성
우리나라 관할공역인 인천비행정보구역안의 공역구조는 항 공로를 제외한 대부분의 구역이 특수사용공역으로 설정되 어 있어 환경변화에 따른 항공로 또는 공역의 신설・조정이 어려운 실정이다. 효율적인 공역활용을 위해서는 한정된 공 역자원을 민(民)과 군(軍)이 함께 사용할 수 있도록 되어 있어 야 하지만, 우리나라의 경우 군에 배정된 훈련・작전 및 제 한구역 등은 실제 사용여부에 관계없이 배타적으로 운영됨 에 따라 민간항공기의 공역활용을 저해하고 있다. 분단국가 인 우리의 안보현실을 감안할 때 군의 공역사용을 제한할 수는 없지만, 민과 군 공역간의 효율적인 활용방안의 모색이 필요하다.
공역 용량의 포화
최근 5년간 우리나라의 항공교통량은 약 4.7%로 증가되고 있고, 이와 더불어 관제섹터의 최대 수용량 초과도 발생하고 있으며, 공항의 지연과 결항도 증가하고 있다. 향후 지속적인 항공교통량의 증가는 관제섹터의 수용 초과와 지상 지연 및 결항을 증가시킬 것으로 예상된다. 공중 및 지상 지연은 독립 적으로 발생하지 않고 서로 영향을 주면서 추가적인 비용을 유발한다. 따라서 이를 방지할 수 있는 효율적인 항공교통흐 름관리 방안이 마련되어야 하며, 이러한 수요와 용량의 불균 형을 해결할 수 있는 방안도 같이 모색되어야 한다.
공역관리 주체의 혼잡성
우리나라는 공역이 좁고 그 구조가 복잡하게 얽혀있을 뿐 아 니라 사용주체와 관리주체가 혼재되어 있어 공역의 효율적 사용이 어려운 상황이다. 우리나라 167개의 특수사용공역 중 16개 공역을 제외한 모든 특수사용공역들이 인천 ACC 관제 공역에 포함되어 있어 항공교통업무 수행에 직・간접적인 영 향을 미치고 있다. 그럼에도 불구하고 특수사용공역의 통제 기관은 항공교통센터가 아니라는 사실이 우리나라 공역관리 현실을 단적으로 보여준다. 공역의 사용주체와 관리주체의 혼재는 특히 서로 긴밀한 협조 및 정보공유가 요구되므로, 효 율적인 공역관리를 위하여 민・군이 공역을 통합적으로 관리 할 수 있는 방안의 모색이 필요하다.
결과적으로, 현재 항공교통관리시스템에서 공역구조는 항공 기의 운항에 앞서 미리 설계된 이후 고정적인 형태로 매우 제 한적으로 운영함에 따라 공역자원의 활용성 감소, 항공기 운 항의 비효율성 증가, 더 나아가 비행연착 및 항공기 온실가 스 배출량 증가 등의 문제로 이어지게 된다. 향후 항공교통관 리시스템은 국가공역시스템 사용자 모두에게 필요한 공역자 원 및 서비스를 최대한 제공해야 한다. 따라서 항공교통을 관 리하는 개념이 기존의 공역 설계 및 충돌방지 중심에서 수요
・용량관리를 비롯하여 보다 전략적이고 효율성이 강조되는 개념으로의 전환이 필요하다.
선진 공역관리 기법
항공교통관리는 항공교통수요와 용량의 불균형을 예측하고 감소시키는 역할을 수행한다. 즉, 특정 공역이나 공항에 진입 하고자 하는 수요와 그 공역, 또는 공항용량의 균형을 유지하 도록 하는 것이다. 수요가 용량을 초과하는 경우 항공기의 궤 적 또는 공역구조의 변경 등을 통하여 관리가 이루어진다. 수 요가 용량을 초과하거나 초과할 것으로 예상될 때, 항공기의 궤적을 변경하여 진입하는 항공교통을 제한하는 것을 ATFM 이라고 하며, 이는 수요를 조절하는 방법으로 볼 수 있다. 반 대로, 공역구조의 변경 등을 통해 해당 공역이나 공항의 용량 을 일시적으로 증대시켜 수요와 용량을 관리하는 방법을 탄 력적 공역관리(DAC, Dynamic Airspace Capacity)라 부르며, 이는 용량을 관리하여 수요와 용량의 불균형을 해소하는 방법으 로 볼 수 있다.
탄력적 공역관리 기법
FUA(Flexible Use of Airspace)
탄력적 공역관리기법인 FUA는 공역을 민간 혹은 군 공역으
로 구분하여 배정하지 않고, 하나의 연속체로써 사용자의 요 구사항을 최대한 수용하는 원칙에 기반을 두고 있다. 그렇기 때문에 FUA는 민간과 군 사용자간의 적절한 협력을 통해 통 합적인 공역사용 계획을 수립하고, 그에 따른 공역배정으로 공역사용의 효율성을 최대화하는 데 목적이 있다.
FUA 개념은 민・군 협동 업무에 따라 공역관리를 세 가지 발전단계로 살펴볼 수 있다. 1단계는 전략적 공역관리(ASM, Airspace Management) 단계로, FUA 개념의 전반적인 적용을 위 하여 공역구조를 설계하고, 협력체계와 공역관리체계를 계획 하고, 국가 간 협력과 민・군 비행간 분리 표준을 수립하고, 2 단계는 사전 전술적 ASM 단계로, 국가가 ASM 기관을 설립 하여 전략단계에서 합의된 조건과 절차에 따라 공역을 할당 하는 단계이다. 3단계는 전술적 ASM 단계로 사전 전술단계 에서 할당된 공역을 효과적으로 실시간 활성화, 비활성화, 혹 은 재할당하는 단계이다.
FUA에서는 잠재적으로 조건부항로(CDR), 임시유보지역
(TRA), 임시분리지역(TSA) 및 국경지역(CBA)의 개념을 활용하 여 공역의 일시적 할당 및 활용에 적합한 유연한 공역구조와 절차를 제공한다.
미국과 유럽에서는 이미 성공적인 민・군 협력체계를 수립 하여 공역관리와 ATM 시스템 운영에 다음과 같은 효과를 보 았다. 첫째, 높은 수준의 안전을 달성하고, 둘째, 공역 용량의 증대를 가져왔으며, 셋째, 국가 보안을 강화하였다. 그리고 넷째, 민・군 항공기의 상호 운영성과, 비행거리의 축소, 최적 의 비행경로 설정, 그리고 연료소비 및 배출량 감소를 통하여 운영 면에서도 많은 효과를 가져왔다.
FAM(Flexible Airspace Management)
FAM은 공역의 혼잡을 발생시키는 수요나 기상 등의 변화에 대해 센터나 섹터의 경계를 동적으로 조정하여 용량을 재할 당하여 섹터 간 수요 균형을 이루게 하는 개념으로, 현재 항 공교통관리 방법보다 상대적으로 교통흐름에 대한 제한을 감소시키는 기법이다. 즉, FAM은 공역의 경계를 현재보다 더 욱 신축적인 방법으로 조정하여, 수요변화에 즉각적이고 빈 번하게 공역을 변경할 수 있도록 선택의 폭을 넓혀줌으로써 항공기가 더욱 효율적으로 이동할 수 있게 한다.
이러한 수요 불균형에 따른 섹터의 경계 변경은 항공교통 자 원을 더욱 효율적으로 활용하게 함으로써 공역의 처리량을 높이고, 결과적으로는 수요불균형으로 인한 지연이나 노선을 변경하는 횟수를 줄게 하여 경제적 효과를 거두게 한다.
NASA(2011) 연구 결과에 따르면, FAM 운영으로 발생되는 효
과는 다음과 같다. 첫째, FAM은 항공기가 계획된 원래 항공 로를 더욱 잘 유지할 수 있도록 하고, 이용자가 선호하는 항
공로 이용률을 높인다. 둘째, FAM 운영 결과 항공기가 우회 하는 경우 더 짧은 거리를 운항하게 한다. 셋째, FAM 운영 결 과 공역용량 및 공역의 활용성이 매우 증가한다.
FAM은 아직 ATM 운영에서 실현되고 있지 않고 있다. 이행 이전에 FAM을 운영할 수 있는 운영절차, FAM에 포함되는 관제사 등의 책임 및 역할이 반드시 수립되어야 하며, 이와 더불어 수요・공급을 모니터링 하는 시스템과 향후 수요나 기상 등 변화 요인을 예측하고 자동으로 할당할 수 있는 자동 화된 시스템 구축이 필요하다.
항공교통흐름관리 기법
탄력적 공역관리 기법처럼 공역의 구조를 변경시키지 않고, 항공교통 흐름을 제어함으로써 항공교통수요를 조절하여 신 속한 흐름을 제공하는 것이 ATFM이다. ATFM은 전략계획단 계, 사전전술단계, 전술운영단계 3단계를 거쳐 시행된다. 전 략계획단계는 ATC와 공항운영자가 다가오는 계절에 대한 수 요를 산정하고 수요가 ATC 용량을 초과하는 곳과 시기를 평 가하여 수요 불균형을 해결하는 단계이며, 사전전술단계는 최신 수요 자료를 고려한 전략계획의 조정을 수반한다. 전술 운영단계에서는 수요가 용량을 초과하여 발생하는 곳에서 축소 혹은 동일한 교통흐름을 제공하기 위한 합의된 전술 방 법을 실행한다. 이후 적용되는 ATFM 대책이 제대로 효과를 발휘하고, 장시간 지연이 보고될 때 ATC 용량을 최대로 활용 하기 위하여 항로의 재배정, 비행고도 할당 등의 개선조치를 위해 항공교통상황의 변화를 감시한다.
ATFM에서 흐름통제방법은 시스템 수용력 고려를 기반으 로 한 흐름수요를 관리하는 기법이다. ATFM의 운영은 최적 의 항공교통흐름을 달성하기 위해 종대거리(MIT), 종대시간
(MINIT), 픽스균형, 경로재설정, 고도규제 시나리오, 대체경로
시나리오, 최소출발간격, 슬롯교환, 각본경로, 지상지연프로
그램(GDP), 지상정지(SG) 방법 등을 사용하여 교통흐름을 관
리한다.
시사점
탄력적인 공역관리 기법인 FUA나 FAM에서는 제한된 공역 자원을 더욱 효율적이고 유연하게 사용할 수 있다. 탄력적인 공역구조의 개념 하에서는, 국가 공역은 하나의 자원으로 관 리되며, 수요에 따라 다양한 공역 사용자에 할당되고 사용 기 간이 지나면 회수하면서 공역의 일시적인 사용을 허가하여 운영・관리할 수 있다.
항공교통흐름관리 기법인 ATFM은 수요가 용량을 초과하거 나 초과할 것으로 예상되는 경우 최적의 항공교통 흐름을 보 장하기 위한 것으로, 지연을 최소화하면서 안전하고, 질서정
연하고 신속한 항공교통 흐름을 제공하고자 수립된 ATM의 기능이다.
하지만 탄력적인 공역관리 기법인 FUA나 FAM은 공역의 구 조를 변경하여 공역의 용량을 증대시키는 것이므로, 현재 국 내의 공역 상황이나 국내 정치적 상황을 고려해 볼 때, 적용 에 대한 효과나 운영에 있어 어려움이 존재할 것으로 판단 된다.
이에 효율적인 공역관리를 위하여 공역구조의 변경 측면이 아니라 항공교통흐름을 관리하여 수요와 용량의 균형을 달 성하는 항공교통흐름관리(ATFM)를 중심으로 국내에 적용할 수 있는 기술적 운영방안을 정립하고, 국내 적용 방안을 위한 정책적 운영방안을 제시한다.
효율적 공역운영 방안
기술적 운영방안
ATFM이나 분리기준적용(Separation Assurance)의 성공적인 적 용을 위해서는 항공기궤적 예측, 공역 및 공항의 용량을 최대 한 활용하기 위한 자동화된 최적화 모형의 구축 및 활용이 절 대적으로 요구된다. 특히 ATFM은 그 특성상 여러 분야의 관 련 학문이 유기적으로 연결된 복합적인 사안이라는 점을 유 념해야 한다.
ATFM 최적화 기법은 크게 제어이론(Control Theory)에 의한 접 근방법과 전통적인 운영과학(OR, Operations Research)에 의한 접근방법으로 나누어 생각할 수 있다. 최근에는 이러한 두 가 지 접근방법을 활용하여 관제사의 실제업무에 사용할 수 있 는 의사결정지원시스템(Decision Support System)의 개발에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 최적화모형에 의한 ATFM 접 근방법의 현실적 한계를 극복하기 위한 대안적 접근방법으 로 최적화기법과 시뮬레이션 모형을 통합 적용하는 방법이 최근 활발히 연구되고 있다.
모형을 정립하기 이전에 공역의 현재 상태를 분석해 보았으 며, 우리나라 공역 분석 결과, 도착항공기가 집중되는 시간 대의 항공기 지연은 활주로 방향, 진입방향별 도착항공기 대 수 등에 따라 큰 폭의 차이를 보였으며, 도착 항공기의 지연 은 공역의 운영여건에 따라 동적으로 변화하는 특성을 보이 고 있어, 수학적인 수식이나 통계적인 방법을 이용하여 지체 를 사전 예측할 경우 다양한 요소들에 대한 종합적인 고려가 필요하며, 이와 같은 경우 시뮬레이션이 활용될 수 있다.
이에 본 연구에서는 이러한 문제에 대한 대안으로 Fast-time 시뮬레이션 분석을 이용하여 항공기 지연시간 및 장래 운영 상황을 예측하는 흐름관리 방안을 제시하였다. 본 연구에서
T1 = 현재시각 T2 = 분석시각 (T2 = T1)
항공기 운항 스케줄 (현재 및 장래, T1+) 공역운영 (현재, T1)
공역 운영 상항
T2 within H=[T1, T2+ΔH]?
T2 = T2 + Δt FCFS 기반 Greedy 스케줄러
FAST-Time 시뮬레이션
(장래, T2+) 항로별 비행시간
(장래, T2+) 항공기별 비행궤적 및 비행시간 (장래, T2+) 각 센터의 시간대별 항공기 대수 및 지체시간
항공기 운항스케줄 (이륙시간) 조정 Stop
그림 1. 지상지연 방법 적용 모델 흐름도
STEP 1
운항스케줄상의 출발항공기를 도착예정시간 순서에 따라 정렬, 첫번째 항공기 추출
STEP 4
다음 (도착예정시간) 항공기 추출, STEP 2~4 반복 수행
STEP 2
T2 시각의 항로별 비행시간을 고려하여:
1) 항공기의 도착예정시간 충족을 위한 출발예정시간 산출 2) 항공기 비행경로상의 각 센터 진출입시간 산출
STEP 3
시간대별 각 섹터의 용량 조건을 만족하는지 체크:
1) 만족할 경우, 각 시간대별 섹터 잔여용량을 1만큼 감소 (STEP 4로) 2) 만족하지 않을 경우, 해당항공기 출발시간을 Δt 만큰 증가 (STEP 2로)
그림 2. FCFS 기반 Greedy Scheduler
제안하는 흐름 관리의 효율화를 위한 지상지연(Ground Delay)
적용을 위한 접근방법이다.
여러 가지 형태의 스케줄링 방법이 적용될 수 있지만 최적화 를 도출하는데 상당한 시간이 소요되는 정수계획법에 의한 최적화모형보다는 Rios and Ross(2007)가 적용한 FCFS(First- Come, First-Served) 기반의 Greedy 스케줄 알고리즘을 적용하 는 방법을 채택하였다.
새롭게 조정된 항공기 운항스케줄에 따른 항공로 비행시간 의 변화는 다음의 시뮬레이션 모듈에서 추정하게 된다. T2시 점에서 시작하는 시뮬레이션 분석은, i) T2시점 이전에 출발 공항을 이륙하여 T2시점에 특정섹터 상공을 비행중인 항공 기와, ii) T2시점 이후 이륙을 위해 지상에서 출발공항 지상에 대기하는 항공기를 포함하여 분석을 수행한다. 시뮬레이션 분석의 주요기능은 T2시간 이후에 비행, 또는 이착륙하는 항 공기의 공역에서의 운항 상황을 반영하여 각 항공로의 비행 시간을 T2+1×Δt, T2+2×Δt, T2+3×Δt,…시점에서 시간대 별로 예측하는 것이다. 추정된 비행시간 결과는 다시 스케줄 러의 입력 자료로 활용된다.
정책적 운영방안
체계적인 ATFM 서비스 제공
ATFM 서비스 제공 전략은 가용한 수용력의 이용률과 모 든 이해관계자들의 각 분야에서의 충분한 운영경험 혹은 능 력의 최대화를 목적으로 수립되어야 한다. 또한 ATFM 시스 템 운용을 위한 인력자원, 장비, 시설, 자동화 시스템 등 가용 한 자원 사용의 최대화를 고려하여 ATFM 서비스가 계획되 고 이행되어야 한다. ATFM 서비스 제공에 있어 이해관계자 혹은 인접 ATFM 조직 간 협조를 통한 조화된 운영절차를 수 립하는 것은 매우 중요한 문제로서 이를 통하여 전체 ATM
시스템의 안전과 효율성을 확보하게 된다. 결국, 성공적인 ATFM 서비스 제공을 위해 가장 근간이 되는 것은 각 구성원 간 ‘협조적 의사결정 수행과정’이 어떻게 구성이 되어야 하는 지의 문제이다.
ATFM 초기 구성단계에서는 복잡한 절차 구성이나 정교한 시스템의 구성에 집중하기 보다는 시스템 안에서 구성원 간 정보교환을 어떠한 방식으로 할 것인가에 초점을 맞추게 된 다. 정보교환 과정에서 가장 유념해 두어야 할 사항은 각 구 성원들의 운영정보 취득시점으로 모든 구성원들은 적시에 정보를 취득하여야 협력적 의사결정이나 운영 효율성 극대 화를 이룰 수 있다는 점이다.
공역구조의 개편
현재 공역구조는 섹터, 항공로, 픽스 등으로 구성되어 있다.
현재의 공역은 고정적이며, 매우 제한적으로 운영된다. 우리 나라 공역은 특히 매우 협소한 면적에도 불구하고, 매우 세분 화되어 있으며, 세분화된 공역들이 서로 중첩되어 있어 그 구 조가 매우 복잡하다. 또한 항공로를 제외하고는 대부분 특수 사용공역으로 구성되어 있다. 이는 공역의 경계를 변경시킬 수 없고, 관제사와 같은 인적자원도 서로 교환할 수 없는 구 조이다. 미래의 공역운영 목표는 가능한 유연성을 제공하고 필요한 곳에 필요한 구조를 제공하는 것이다. 또한 공역은 수 요나 기상 예보에 기반을 두어 변경될 수 있어야 한다.
과학적 관리기법의 개발과 적용
과학적 접근방법과 절차에 의한 용량분석(Capacity Analysis), 수 요-용량 균형(Demand-Capacity Balancing), 최적 의사결정 솔루 션의 도출 및 고도의 ATFM 시스템 개발과 이를 통한 과학적 협업체계 운영은 ATFM을 통한 전체 ATM 운영체계의 성공
(T2시각) 출발항공기 운항스케줄 (T2시각) 비행중인 항공기 위치
FAST-Time 시뮬레이션 모형 (예, SIMMOD, TAAM)
(장래, T2+) 항로별 비행시간
(장래, T2+) 항공기별 비행궤적 및 비행시간 (장래, T2+) 각 섹터의 시간대별 항공기 대수 및 지체시간
(T1+) 활주로 운영방향, 분리기준
그림 3. 시뮬레이션 과정
적 목표달성에 있어 가장 중요한 핵심기능이다. 그렇지만 현 재의 국내 ATFM 운영은 과학적 절차에 의한 의사결정이 이 루어지는 것이 아니고 경험적이나 주관적인 방법에 의해 의 사결정이 이루어지는 구조이다. 이로 인해 흐름 관리의 비효 율성 및 솔루션의 적절성을 보장하지 못한다. 또한 의사결정 절차도 전체 ATM 관계자가 참여하지 않고 항공관제기관(항
공교통센터)에 의해 단독으로 이루어지는 구조이기 때문에 최
적화된 흐름 관리를 달성하기 어려운 문제가 있고 이는 필수 적으로 ATM 전체 성능의 저하를 가져오게 된다. 따라서 흐 름 관리에 대한 체계적이며 과학적인 의사결정 절차의 개발 과 그에 따른 고도의 의사결정시스템과 항공기 항적을 예측, 감시하는 시스템과 이의 연동 등 첨단화된 ATFM 시스템을 구축할 필요가 있다.
협력적 의사결정 시스템 구축
협력적 의사결정(CDM, Collaborative Decision Making) 시스템을 구축하여 시의적절하고 정확한 방법으로 제공된 최고의 정 보를 기반으로 의사결정이 이루어지도록 해야 한다. 이러한 CDM은 어떠한 목표나 목적이 아니라 어떠한 업무의 수행 목표를 이루는 데 사용하는 하나의 방법으로, 정보의 공유가 CDM에 있어 중요한 요인이기는 하지만 CDM의 목적을 실 현하기에는 정보의 공유로는 불충분하다. 이에 따라 의사결 정 방법, 의사결정 관계자 및 그들의 역할 및 책임, 목표 공유 및 합의, 의사결정 법칙, 절차 및 원칙, 데이터 표준, 형식, 수 집 횟수 및 기한 등과 같은 정보 관련 필요사항, 검토 및 감시 등 CDM 유지절차 등을 마련하여 협력적 의사결정이 되도록 해야 한다. 또한 전체 ATM 이해관계자 간 협의방법, 협의절 차 등을 수립하고 관련 협의체를 구축하여 상호협력을 통해 서 전체 ATM 이해관계자가 가용한 범위 내에서 안전을 도 모하면서 사용자의 요구를 최대한 수용할 수 있도록 하여야 한다.
국제 공조시스템 구축
ATFM은 국내 공역사용자의 협력만으로는 효과 및 효율성 측면에서 매우 제한적이다. 일례로, 우리나라의 ATFM이 자 주 이루어지는 구간은 중국노선인 G597, Y64 구간인데, 이 구간은 항공교통량의 증가와 더불어 기상상황 및 중국의 군 훈련에 의해 잦은 상승 및 강하가 이루어지고 있다. 이렇듯 항공교통흐름관리는 자국은 물론 주변국의 상황이나 환경에 의해 직접적인 영향을 받을 수 있기 때문에 주변국과의 긴밀 한 협조체계가 필요하며, 이를 위해 주변국과의 공조시스템 을 마련하여야 한다.
공역 분석 시스템 구축
항공교통 관제량은 연평균 4.7%가 증가하고 있으며, 교통흐 름도 편중이나 교통흐름의 지체가 발생하고 있다. 이러한 문 제점들은 단순히 관제사의 관제업무로는 해결되기 어렵기 때문에, 공역 분석을 통한 전략적인 관리가 필요하다. 이러한 공역 분석 시스템을 통하여 항공교통흐름 현황을 분석하고, 지속적인 감시를 통하여 항공교통흐름 장애발생 가능요소 및 영향을 식별하여 장애요소에 대한 인지능력, 처리능력 및 조치능력을 확보하여야 한다.
결론 및 정책 제언
결론
최근 지속적으로 증가하는 항공교통량으로 인하여 매우 빠 른 속도로 공역의 과밀화가 진행되고 있는 가운데, 한정된 공 역에서 공역 수용량을 최대화 하고 지연을 최소화 할 수 있는 방안을 마련하고자 본 연구를 수행하게 되었다.
그동안 수행된 연구는 우리나라의 미래 ATM 시스템 구축을 위한 마스터플랜 수립에 집중돼 있고 실질적인 항공교통흐 름을 처리하기 위한 연구는 개론적으로만 다루어져 왔다. 이 에 본 연구에서는 효율적인 공역활용을 위한 여러 가지 기법 들을 살펴보고, 우리나라에 적합한 항공교통흐름관리 적용을 위한 기술적, 정책적 운영방안을 제시하였다.
다양한 공역활용 기법들을 살펴보기 이전에, 국내 공역 체계 및 운영 현황을 살펴보았다. 검토 결과, 우리나라 공역은 매 우 면적이 협소함에도 불구하고 공역이 너무 세분화되어 있 으며, 이렇게 세분화된 공역들도 서로 중첩되어 있어 매우 복 잡한 형태를 띠고 있다. 또한 항공로를 제외하고는 대부분 특 수사용공역이 차지하고 있으며, 운용되지 않을 때에도 민간 항공기의 이용이 제한되고 있어 비효율성이 나타나고 있다.
공역이 매우 고정적인 형태로 운영되고 있는 것도 비효율성 을 가중시키고 있다.
이러한 공역구조 및 운영에 있어 나타나는 비효율성은 공역 자원의 활용성 감소, 항공기 운항의 비효율성 증가, 더 나아 가 비행연착 및 항공기 온실가스 배출량의 증가 등의 문제로 이어지게 된다.
이에 효율적으로 공역을 운영하기 위한 탄력적 공역관리 기 법인 FUA와 FAM, 그리고 항공교통흐름관리 기법인 ATFM 을 검토해 보았다.
탄력적 공역관리 기법인 FUA는 공역을 전적으로 민간 혹은 군 공역으로 구분하여 배정하지 않고, 하나의 연속체로서 사 용자의 요구사항을 최대한 수용하는 원칙에 기반을 두는 공
역관리 개념이다. FUA에서는 조건부항로(CDR), 임시유보지 역(TRA), 임시분리지역(TSA) 및 국경지역(CBA)의 개념을 활용 하여 공역의 일시적 할당 및 활용에 적합한 유연한 공역구조 와 절차를 제공한다. 미국이나 유럽에서는 이미 성공적인 민
・군 협력체계를 수립하여 공역관리와 ATM 시스템 운영에 있어 많은 효과를 보았다. FAM은 공역의 혼잡을 발생시키 는 수요나 기상 등의 변화에 대해 센터나 섹터의 경계를 동적 으로 조정하여 용량을 재할당하여 섹터 간 수요의 균형을 이 루게 하는 개념이다. FAM은 항공교통 자원을 더욱 효율적으 로 활용하게 함으로써 공역의 처리량을 높이고. 결과적으로 수요 불균형으로 인한 지연이나 노선 변경 횟수를 줄임으로 써 경제적 효과를 발생시킨다. 공역의 구조를 변경시키지 않 고, 항공교통 흐름을 제어함으로써 항공교통수요를 조절하여 신속한 흐름을 제공하는 것이 ATFM이다. ATFM은 전략계획 단계, 사전전술단계, 전술운영단계 3단계를 거쳐 시행된다.
ATFM의 운영은 최적의 항공교통흐름을 달성하기 위해 종대 거리(MIT), 종대시간(MINIT), 픽스균형, 경로재설정, 고도규제 시나리오, 대체경로 시나리오, 최소출발간격, 슬롯교환, 각본 경로, 지상지연프로그램(GDP), 지상정지(SG) 방법 등을 사용 하여 교통흐름을 관리한다.
국내의 효율적 공역관리를 위하여 국내에 적용을 목표로 ATFM의 기술적, 정책적 운영방안을 제시하였다. ATFM의 기 술적 운영방안 정립을 위하여 공역의 현재 상태를 분석해 보 았다. 국내 공역의 분석 결과, 도착항공기가 집중되는 시간대 의 항공기 지연은 활주로 방향, 진입방향별 도착항공기 대수 등에 따라 큰 폭의 차이를 보였으며, 도착 항공기의 지연은
공역의 운영여건에 따라 동적으로 변화하는 특성을 보이고 있으므로, 수학적인 수식이나 통계적인 방법을 이용하여 이 러한 지체를 사전에 정확히 예측하는 것은 상당히 어려운 과 제이다. 이에 본 연구에서는 이러한 문제에 대한 기술적 운영 방안으로 Fast-time 시뮬레이션 분석을 이용하여 항공기 지 연시간 및 장래 운영상황 예측하는 흐름관리 방안을 제시하 였다. 또한 ATFM을 이행하기 위해서 필요한 정책적 운영방 안에 대해 살펴보았다. 결과적으로 ATFM 시스템 운용에 있 어 가장 중요한 것은 의사결정 환경의 정립이라고 할 수 있으 며, 이에 앞으로 최적의 의사결정을 위한 모형, 고도화된 정 보관리 방법 등에 대한 연구가 필요하다.
정책 제언
우리나라의 공역은 인접 비행정보구역에 비해 협소하며 매 우 복잡한 공역구조를 가지고 있다. 또한 미래에 증가하는 항 공교통 수요에 대비하여 보다 근본적이고 실효성 있는 정책 이 필요한 시점이다. 현재 우리나라의 실정을 감안할 때 공역 구조의 개편은 현실적으로 매우 어려운 상황이다. 따라서 본 연구에서 제안된 ATFM의 적용이 가장 현실적인 대안으로 판단된다. 성공적인 ATFM 적용을 위한 정부의 역할은 다음 과 같다.
첫째, 아태지역의 다른 비행정보구역 및 ATFM 네트워크와 의 긴밀한 협조와 고도의 CDM 절차를 사용하여 ATFM 지 역모델을 정립하는 것이다. 둘째, 교통량 수요와 수용력 데이 터의 지속적인 모니터링을 통하여 문제점을 적시에 파악하 고 효과적인 ATFM의 수행에 노력하여야 한다. 셋째, 고도의 ATFM 시뮬레이터의 구축을 통하여 ATFM 절차와 기술 관 련 인력의 교육과 훈련을 수행하여야 한다. 넷째, 단일공항 및 복수공항 간 협력적 의사결정(A-CDM, Airport CDM) 절차의 수행 및 시스템 개발을 통하여 이를 ATFM 시스템과 연동하 여 운용함으로써 ATFM의 성능을 극대화 할 필요가 있다. 마 지막으로 ATFM 시스템, 도착・출발관리 시스템 등 항행분야 시스템의 지속적인 개선을 위해 체계적인 로드맵 수립을 통 하여 국가가 이를 지속적으로 지원할 필요가 있다. 이를 위하 여 정부 내 부처 간 심도 있는 상호협력, 정부와 산・학・연의 실효성 있는 과제 발굴과 각 기관의 역량을 최대한 활용할 수 있도록 기관 간 적절한 역할분담을 통하여 연구개발의 효과 를 극대화할 필요가 있다.
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우리나라의 공역은 인접 비행정보구역에 비해 협소하며 매우 복잡한 공역구조를 가지고 있다.
또한 미래에 증가하는 항공교통 수요에 대비하여 보다 근본적이고 실효성 있는 정책이 필요한 시점이다.
현재 우리나라의 실정을 감안할 때
공역구조의 개편은 현실적으로 매우 어려운 상황이다.
따라서 본 연구에서 제안된 즉, 공역의 구조를 변경하지 않고,
항공교통 흐름을 제어함으로써 항공교통수요를 조절하여 신속한 흐름을 제공하는
이른바 ATFM의 적용이 가장 현실적인 대안으로 판단된다.
”
공역안전평가 기법 연구
: 국제공동연구 수행 로드맵 수립 및 안전평가 기법 기초연구
안미진 한국교통연구원
연구원 한재현
한국교통연구원 연구위원
김준혁 한국교통연구원 부연구위원
연구의 배경 및 목적
항공교통의 국제성은 국제 협력의 중요성을 강조하고 있으 며, 이러한 특성은 연구 분야에도 적용되어 국제 공동연구가 점점 활발해지고 있는 추세이다. 특히 인접국은 우리나라 항 공운송뿐만 아니라 관련 정책의 수립 등에 많은 영향을 미치 고 있어, 이들 인접국과의 국제 협력 및 연구 교류는 더욱 중 요하다고 볼 수 있다.
우리나라의 경우 공역안전에 관한 연구에 있어 오랜 경험이 부족하여 연구의 효율성을 높이고, 항공교통 분야의 선도적 인 위치를 확립하기 위해 국제 공동연구의 필요성이 제기되 었으며, 이에 따라 본원과 ENRI(일본전자항법연구소)와 체결한 MOU(2011. 11. 8)를 기반으로 공동연구를 수행하기로 하였다.
본 연구는 터미널 지역에 대한 한・일 간의 공동연구를 통하 여 기존에 축적된 기술을 습득하고, 터미널 지역의 ‘효율성’
과 ‘안전성’을 확보할 수 있는 방법론을 선제적으로 연구함으 로써 국제적으로 위상을 확립하는 데 목적이 있다.
국제 공동연구 주제 및 로드맵 수립
국제 공동연구 주제 - 혼합접근절차 개념(안)
혼합접근절차는 일본 국토교통성 항공국(JCAB, Japan Civil
Aviation Bureau)이 수립한 CARATS(Collaborative Actions for Renovation of Air Traffic Systems) 프로그램의 일환으로, 성능기반 항행(PBN, Performance Based Navigation) 개념을 촉진하고 터미널 지역의 혼잡을 해결하며, 터미널 지역에서의 효율성을 높이 기 위해 제시된 방안이다. 아직 개념이 구체적으로 정립되지 는 않았으나, 본 공동연구를 통하여 개념을 정립하고 이를 수 행하기 위한 방안 또한 마련할 계획이다.
우선, 제시된 혼합접근절차의 초기 개념은 동일한 활주로에 각기 다른 접근절차로 접근하는 항공기가 각 항공기마다의 성능에 적합한 최적의 접근절차를 선택하여 일정한 (시간) 간 격을 두고 접근하도록 하는 것이다.
혼합접근절차가 가능하게 되면, 고성능 항공기에게 유용한 혼합접근절차는 효율적인 공역 사용을 위해 요구될 것이다.
하지만 이러한 효과에도 불구하고 혼합접근절차를 이용하기 어려운 이유는 혼합접근절차에 대한 위험(risk)이 아직 분석되 지 않았으며, 혼합접근절차를 시행함에 있어 활주로 말단에 서의 분리를 추정하고, 합류점에서 적절하게 순서 배정을 하 는 데 있어 더욱 복잡해질 것으로 예상하기 때문이다.
이에 높은 항행성능, 자동 순서 배정 툴, 활주로 말단에서의 분리 예상 시현 툴, 그리고 비행시간 조절을 위한 공역 설계 기술 등이 요구될 것이다.
활주로
그림 1. ILS 접근
주 : 각각의 항공기는 다른 접근절차로 접근하다 동일한 접근방식(ILS 접근)으로 변경
국제 공동연구 로드맵
당해 연도의 연구는 앞에서 설명한 ‘혼합접근절차’ 개념(안)
을 도입하기 위한 예비타당성 분석의 성격으로 수행된다. 이 를 위하여 ‘혼합접근절차’ 개념을 구체화하고 위험요인식별 기법(HAZID)과 위험평가기법(RA, Risk Assessment)을 모색함을 목적으로 한다.
장기적으로는, 중규모 공항에 항공기별 최적화된 접근절차를 선택하여 동일 활주로에 동시에 일정한 (시간) 간격을 두고 비 행할 수 있는 혼합접근절차를 개발하고, 본 개념에 대한 사전 위험요인 분석을 수행하고, 개발된 절차가 실제로 운영되는 상황에서 안전하게 운영될 수 있도록 하는 것을 목표로 한다.
연구는 3년간의 중기 연구를 목표로 하여 개념 개발, 정보 수 집 및 분석, 시뮬레이션 개발, 검토로 구분하여 진행한다.
혼합접근절차 개념(안)이 일본 정부로부터 제안된 개념이기 때문에, 개념을 확장하고 시뮬레이션을 수행하는 업무는 주 로 ENRI가 수행하고, 운영적인 개념 및 이론적 개념을 보완하 는 작업을 본원이 함께 수행하기로 함에 따라, 이번 연도의 과 제 수행 기간 동안에는 위험요인식별기법 검토에 국한한다.
위험요인식별기법 분석
위험식별 개요
공항이나 항공교통업무(ATS, Air Traffic Service)와 관련된 프로젝 트는 초기 개념을 수립할 때부터 폐기될 때까지 다양한 단계 를 거치게 된다. 프로젝트의 진행 단계나 존재하는 위험의 크
기에 따라 정도의 차이는 있지만 안 전은 모든 단계에서 계획되고 다루 어져야 한다.
안전평가에서 가장 중요한 단계는 위험요인을 식별하고 평가하는 것일 것이다. 여기에서 위험요인(hazard)
이란, 사람에게 해를 끼치거나, 장비 나 건물을 훼손하거나 혹은 기능 수 행 능력을 저해할 수 있는 요인이 잠 재적으로 보유된 상황, 대상 또는 활 동을 일컬으며, 프로젝트 초기 단계 에 수행하는 위험 분석을 사전 위험 요인 분석(PHA) 혹은 위험요인식별
(HAZID)이라 한다.
그동안 위험요인을 분석하기 위 한 다양한 방법들이 개발되고 적 용되어 왔다. 여기에서는 FAA/
EUROCONTROL(1998)에서 제시한 위험요인 분석 기법들 만 간략하게 살펴보았으며, 이 중 ‘Hazard Identification Family’에 대해서 자세히 살펴보도록 하겠다.
위험식별기법
위험요인식별기법을 선택할 때에는 시스템의 크기 및 복잡 성, 시스템의 개념 및 운영사항, 시스템과 관련된 활동 및 절 차의 특성, 그리고 유사 시스템의 위험요인 식별 사례 등을 고려할 수 있다. 또한 위험요인 분석의 목적이나 가용한 정 보, 혹은 분석하는 사람의 선호도 및 전문 지식 등에 따라 적 합한 위험요인식별기법을 선택하게 된다.
PHA
사실상 PHA는 어떠한 기법이라기보다는, 프로젝트의 개념 단 계에 위험요인을 식별 및 평가하고, 개념 단계에서 필요한 안 전 설계나 운영 요구사항을 식별하는 것을 말한다고 할 수 있 다. PHA는 사전 위험요인 목록(Preliminary Hazard List)이라 하 는 잠재적 위험요인 목록을 출발점으로 하여 초기 설계 단계에 서 위험요인을 분석하는 초기 노력이라고 볼 수 있다. 이에 상 위 수준의 위험요인과 이의 통제 요인을 식별하고, 시스템의 위험에 대해 처음으로 검토하여 향후 분석 기초를 제공한다.
FMECA
시스템이나 장비 측면에서 시스템을 세분화하고 장비의 고 장에서 발생되는 위험요인을 분석하는 기법으로 매우 체계 적인 기법이지만, 인적 오류에 의한 위험요인을 식별하는 데
활주로
그림 2. 혼합접근
주 : 각각의 항공기는 다른 접근절차로 접근 유지
에는 한계가 있다.
FHA
FHA는 시스템 엔지니어링에서 위험요인을 식별하는 데 사 용하는 기법이다. 운영 업무를 포함하여 운영에 필요한 각 기 능별 발생 가능한 결함 상황과 그것들의 영향을 판별한다.
하지만 사실상 관제사나 조종사는 상황인식에 의존하기 때 문에, 운영과 관련된 모든 위험요인을 식별할 수는 없다. 즉, FHA는 기능적인 관점에서 위험요인을 식별하기 때문에 인 적 오류에 대한 위험요인을 식별하기가 어렵다.
HAZOP
HAZOP은 전문가의 경험을 기반으로 위험요인을 식별하 고 분석하는 것으로, 전문가는 동시에 식별된 위험요인을 해 결하기 위한 방안을 마련하여야 한다. 기능적 접근 측면에서 HAZOP의 장점은 비기능적인 위험요인 또한 식별할 수 있 다는 것이다. 하지만 HAZOP을 적용하는 데 있어 위험요인 분석과 해결방안 모색이 위험요인 식별 절차의 수행을 방해 하지 않도록 주의할 필요가 있다. 그렇지 않으면 위험요인이 식별되지 않은 채 위험요인 분석 및 해결방안 모색이 이루어 질 수 있기 때문이다. 또한 잠재적인 해결방안은 새로운 위험 요인을 야기할 수 있다는 점도 반드시 염두에 둬야 한다.
Brainstorming
Brainstorming은 다른 기법들에서 식별되지 않은 위험요인 을 식별하기 위한 보완적인 방법으로 수행된다. 이 기법은 관 제사나 조종사 등 운영자들의 의견 수렴을 통하여 위험요인 을 식별하지만, 식별된 위험요인에 대한 어떠한 분석을 수행 하거나 그에 대한 해결방안을 마련하지도 않는다.
결론 및 정책 제언
결론
위험요인을 식별하는 방법은 여러 가지가 있지만, 무엇보다 중요한 것은, 시스템의 특성 등을 고려하여 적절한 위험요인 식별기법을 선택하는 것이다. 본 연구에서는 위험요인 식별 기법 중 FAA/EUROCONTROL에서 제시한 PHA, FMECA, FHA, HAZOP 기법과 NLR이 제안한 Brainstorming 기법을 검토하였다.
검토 결과, 혼합접근절차의 위험요인을 식별하기에는 HAZOP이 가장 적합한 것으로 판단되었다. 우선 HAZOP은 다른 기법보다 인적 오류를 식별하는 데 용이하며, 절차 측면
에서도 위험요인을 식별하기에 좋은 기법이다. 특히, HAZOP 방법은 Brainstorming 기법이 결합된 방식으로 다른 기법들 보다 가능한 많은 위험요인이 식별될 것으로 판단되어, 혼합 접근절차 적용에 따른 위험요인을 식별하는 데에는 HAZOP 방법이 적합하다고 판단하였다.
또 다른 접근 방법을 제시한다면, FHA 기법과 Brainstorming 기법을 조합한 방법이다. 즉, Brainstorming으로 FHA 기업 의 부족한 점을 보완하는 방법을 적용할 수도 있다. 사실 위 험요인을 식별하는 데에는 어떠한 한 가지 절대적인 방법이 존재하지 않기 때문에, 연구를 진행하면서 추가적인 식별기 법을 검토하고 단점을 보완할 수 있는 방법을 도입하여, 모든 위험요인을 식별할 수 있는 기법을 마련하는 것이 필요하다.
정책 제언 및 향후 연구과제
정책 제언
본 연구는 일본전자항법연구소(ENRI)와 KOTI가 공동으로 수 행하는 중장기적인 연구로서, 새로운 분야를 선도적으로 연 구한다는 데에 의의가 있다. 하지만 제안된 혼합접근절차의 개념이 아직 개념적인 단계에 머물러 있고, 전 세계적인 관심 이슈가 아니라는 한계가 존재한다. 또한 연구의 기간 및 예산 의 제한으로 인해 본 연구가 매우 기초적인 문헌 연구에 그쳤 다는 데 아쉬움이 있다.
이를 극복하기 위해서는 장기적인 관점을 가지고 연구할 수 있도록 정부의 지원이 필요하다. 특히 국제 공동연구에 대한 지원제도 마련이 필요하다. 또한 연구기관에서는 장기적인 로드맵을 마련하여 연구를 체계적으로 수행할 수 있도록 노 력할 필요가 있다.
향후 연구과제
본 연구를 중장기 로드맵의 첫 단계로 하여 향후 실질적인 연 구를 수행할 필요가 있다. 그러기 위해서는 위에서 언급한 제 약 사항을 극복하고 향후 본 연구를 더욱 체계화하여 연구의 성과를 높이기 위해서는 다음과 같이 정부의 지원을 통하여 향후 공항레이더의 데이터를 분석하는 등 실질적인 연구가 수반되어야 한다.
첫째, 레이더 데이터를 수집하여 혼합접근절차의 시뮬레이션 개발이 필요하며, 둘째, 관제절차, 조종사 비행절차, 공역설계 디자인 등 공역 및 공항 주변 이동 특성에 대한 정보 및 사고
・준사고 자료 등을 수집하여 혼합접근절차를 수행하는 환경 을 분석하고 실질적인 위험요인 식별 절차의 수행이 필요하 다. 셋째, 장기적으로 국내에 혼합접근절차를 도입하기 위해 서는 혼합접근절차로 발생되는 문제점을 줄이고 공역의 효 율성을 높이기 위한 다양한 툴 개발이 필요하다.
KOTI News
Upcoming Events
◦ KTX경제권포럼 12월 정기세미나 개최 한국교통연구원은 12월 15일 오후 2시부터 본 원 용산 회의실에서 ‘KTX 네트워크 기반 지역 발전 효과분석’을 주제로 KTX경제권포럼 12월 정기세미나를 개최한다.
◦ ‘창조경제와 일자리 창출을 위한 교통 규제 개선방안’ 세미나 개최
한국교통연구원은 12월 16일 오후 3시 본원 용 산 회의실에서 ‘창조경제와 일자리 창출을 위 한 교통규제 개선방안’ 관련 세미나를 개최한 다. 본 세미나에서는 기술상용화·사업화 제도 의 문제점과 개선방안에 대해 논의할 예정이다.
◦ 국회 교통사고 제로화 세미나 개최 한국교통연구원은 12월 16일 오전 10시 국회의 원회관 제2세미나실에서 교통사고 제로화를 위한 사회경제적 개선방안을 주제로 ‘국회 교 통사고 제로화 세미나’를 개최한다.
Recent Events
◦ 독일 프라운호퍼 연구소와 업무협약 체결식
한국교통연구원은 12월 3일 프랑스 OECD 회
의실에서 독일 프라운호퍼 연구소와 업무협약 (MOU)을 체결하였다. 양 기관은 전기이동성 연구 및 국제공동행사 개최 등의 협력을 협조 하는 것을 목적으로 협약을 체결하기로 하였 다. 본 행사에는 본원의 황상규 종합교통본부 장과 독일 프라운호퍼 연구소 비첼 박사가 참 석하였다.
◦ KTDB 교통수요분석 개선방안 성과발표회
한국교통연구원은 12월 11일 건설공제조합에서
‘2014년 국가교통조사 및 DB구축사업’과 관련
하여 KTDB 교통수요분석 개선방안 성과발표회 를 개최하였다. 본 행사는 국토교통부 주최, 본 원 주관으로 마련되었으며, 총 3개의 주제발표 와 전문가 토론으로 구성되어 진행되었다.
