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과제기본정보

기후적 요소를 고려한 UAM PORT 위치선정 기법 연구1년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 21CTAP-C164083-01
국가과학표준분류 1순위 원자력 | None | None 적용분야 교통/정보통신/기타 기반시설
2순위 생명과학 | None | None 실용화대상여부 비실용화
3순위 None | None | None 과제유형 기초
과제명 기후적 요소를 고려한 UAM PORT 위치선정 기법 연구
주관연구기관 주식회사 포디솔루션
총괄연구 책임자 성명 김기영
소속 주식회사 포디솔루션 직위 대표이사
전화번호 010-5015-9132 FAX 02-6954-0126
총 연구기간 2021-04-01 ~ 2022-12-31
당해연도 연구기간 2021-04-01 ~ 2021-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금
현금 현물 소계
1차년도 160,000,000 4,000,000 36,000,000 40,000,000 200,000,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 ○ UAM은 도심지 내 수직이착륙이 가능한 전기동력 비행체(eVTOL, Electric vertical takeoff and landing)를 활용, 도시권역(30~50km) 내의 PORT와 PORT를 잇는 교통수요를, 정체 없이 수용 가능하도록 하는 차세대 3차원 교통서비스임
○ 최근 가시적 형태의 서비스 유형 및 기체 형상을 구체적으로 제시한 항공·지상 혼용 운송수단(UAM 등)은 공간적 제약으로 인한 운용 편리성이 높은 ‘수직 이착륙’, 소음 환경적 요소를 반영한 ‘전동화’, 운영비용의 절감을 위한 ‘자율화’를 키워드로 하여 개발되고 있으며, 지금까지는 공항 및 비행장과 같이 한정된 공간에서 이용하던 항공교통수단과 다르게 수요자의 이용 편리성을 보장하기 위한 PORT 위치 고려가 필요함
○ UAM은 대도시권 지상교통혼잡 문제를 해결할 수 있는 대안으로 하늘길 출퇴근을 가능케 할 차세대 스마트 모빌리티로 주목받고 있으며, 이러한 수요를 제공하는 형태로 제시된 Door to Door 서비스를 위해 수요지 근거리 이착륙/운영을 위한 위치 선정이 중요한 요인으로 작용함
○ 반면에, UAM PORT 입지선정에서 고려해야 할 장기간의 저고도 기후적 요소의 활용에 대한 중요성은 간과되고 있으며, 환승센터 및 터미널의 역할만 강조하여 지리적 접근성 및 스마트 대중교통의 수요 등 편의성만을 PORT 위치선정 조건으로 고려하는 실정임
○ UAM의 운항 형태에서도 일반 항공기와 동일한 안전 요건의 고려가 필요하며, 운영되는 환경기반이 항공적 요소를 포함하고 있으므로 항공기의 공역, 항로, 교통규칙 등이 동일하게 적용될 것으로 예측됨
○ 저고도 영역에서 UAM 이착륙 시에는 기상상황에 따라 제약 조건이 발생함. 즉, 날씨는 UAM의 많은 구성 요소에 영향을 주어 다양한 잠재적 요인으로 작용함
○ 따라서, 잠재적인 위험의 범위를 고려하기 위해 장기간의 기상자료 분석을 바탕으로 악기상과 관련된 기후적 요소를 평가하는 것이 중요함
○ 같은 이유로, PORT의 위치선정의 핵심은 장기간의 기상자료 분석을 통해 산출한 기후적 요소의 적용이며, 추후 기후적 요소로 인한 운용 제한 요건이 형성될 잠재적 위험요소를 최소화하여, PORT가 안정적인 UAM 이착륙을 확보하도록 함
○ 도심항공교통(UAM)용 PORT(eVTOL 이착륙장)의 기준이 기존 항공기와 유사한 형태로 제시되고 주요 검토 항목이 또한 요구될 것이 예상되므로, 실제 서비스 이용을 위한 위치선정 기준에는 기후환경 정보가 반드시 필요함
○ 기상 측정이 이루지지 않는 기존 기상관측 데이터를 상세화 및 고도화하고, 현재와 달라질 수 있는 미래의 PORT 주변 기상환경 변화를 고려하도록 미래의 기후적 요소를 반영함
○ 본 과제는 UAM PORT 위치선정에서 기후적 요소의 중요성을 인지하고, 이를 반영한 위치선정의 가시화 해결책으로 GIS 플랫폼을 활용한 프로토타입을 제시함
최종목표 ○ 본 연구과제의 목표는 도심항공교통(UAM) 수단의 이착륙 및 타 이동 수단으로의 환승이 이루어지는 공간인 PORT의 위치선정을 위해 장기간의 기상자료와 미래 예측자료로부터 얻어낸 기후적 요소를 산출하고, 비행체의 안전한 이착륙을 보장하기 위한 국제 규정과 안전 요인을 반영하는 방법론을 연구함에 있음

- 장기간의 지상관측자료와 재분석자료, 그리고 미래기후 예측자료를 수집하여 UAM PORT 위치선정에 필요한 3차원 기후적 요소 산출
- 비행체 운영 안전성 확보를 위한 PORT 위치선정 시 필요한 환경 요건 분석
- PORT 위치에 맞는 정확한 기후적 요소를 반영하기 위한 기상자료의 고도화
- 생산된 정보는 GIS 플랫폼 기반의 가시화 프로그램을 활용하여 지리정보와 융합 제공되며, 사용자·관리자가 위치선정에 시 최종 의사결정 가능하도록 가공·생산
- 개발된 연구 결과물의 서비스 제공 형태를 제안하기 위한 프로토타입 제시
연구내용 및 범위 ○ 장기간의 지상관측자료와 재분석자료, 그리고 미래기후자료를 수집하여 UAM PORT 위치선정에 필요한 저고도 내 3차원 기후적 요소를 산출
○ 비행체 운영 안정성 확보를 위한 PORT 위치선정 시 필요한 환경 요건을 분석
○ PORT 위치에 맞는 정확한 기후적 요소를 반영하기 위해 기상자료를 고도화(격자화 및 고해상도화) 수행
○ 생산된 기후정보는 GIS 플랫폼 기반의 가시화 프로그램을 활용하여 공간정보와 결합하여 제공되며, UAM PORT 위치선정에 최종 의사결정을 가능하도록 함
○ 개발된 연구 결과물의 서비스 제공 형태를 제안하기 위해 테스트베드를 선정하고 프로토타입을 제시하여 검증함

○ 기상자료 및 미래기후자료 수집확보
* 관측자료, 재분석자료 및 미래 기후 예측 자료를 활용한 운영 지원 데이터 수집
- 지상관측자료 및 재분석자료 수집
- 확보된 장기간의 기상자료(데이터베이스)로부터 기후정보의 생산
* 미래기후 정보의 분석을 통한 UAM 운영 기반 마련을 위한 데이터 분석 및 구현
- 미래기후 시나리오자료 수집

○ UAM PORT 선정에 필요한 기후적 요소 산출
* 이착륙 위치의 적절성 활용을 위한 지면 및 공간의 데이터 검토 및 산출
- PORT 주변의 3차원 평균 기후정보 산출
* UAM PORT 운영 위치의 기후적 최대 한계치 검토 정보의 생성
- 기후적 최대한계치 정보 생산
- 항공기 운영 규정 기반의 UAM PORT 위치선정 요소 검토 및 분석

○ PORT 위치 고려 요소의 기준 및 형태 확인
- 항공기 운영 지원 시 필요한 기상 정보의 식별 및 사례 분석
- UAM PORT 위치 결정 시 필요한 기상/기후 데이터 식별을 위한 기존 항공 규정의 검토
- 고정밀, 고해상도, 3차원 기상 데이터 및 기후 데이터 생성을 위한 정보 항목의 식별

○ 기후적 요소의 고도화
* 기존 기상·기후 데이터의 고도화를 통한 고해상도 데이터 생성
- 지상관측자료의 격자화 및 재분석자료의 다운스케일링을 통한 고정밀화
* 운영 결정 필요 위치에 대한 기상/기후적 요소의 고해상도 정밀 데이터 생성
- 상세지형을 고려한 고정밀/고해상도 기후정보 생산

○ UAM PORT 위치선정 정보 활용의 적정성 확인
- 고도화된 3차원 데이터의 활용 가능 여부 사전 검토
- 연구 결과 데이터 활용성 증대를 위한 데이터 적정성 검토 및 분석
- GIS 가시화 시스템의 적정성 분석 및 개발 결과 활용성 확보 지원

○ GIS 플랫폼을 이용한 가시화 및 프로토타입 구축
* GIS 가시화 방법에 대한 검토 방법 개발 및 시스템 프로토타입 구축
- GIS 가시화 플랫폼을 활용
- 공간정보와 기후적 요소를 결합한 UAM PORT 위치선정 프로토타입 구축
- 테스트베드 선정 및 프로토타입 적용을 통한 K-UAM 로드맵 계획의 참여
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
1차년도 ○ 장기간의 기상자료 수집확보 및 UAM PORT 선정에 필요한 기후적 요소 산출
○ UAM PORT 위치 선정의 고려 요소의 검토 및 항목 산출
○ 기상자료 및 미래기후자료 수집확보
- 지상관측자료 및 재분석자료 수집
- 미래기후 시나리오자료 수집
- 확보된 장기간의 기상자료(데이터베이스)로부터 기후정보의 생산
○ UAM PORT 선정에 필요한 기후적 요소 산출
- PORT 주변의 3차원 평균 기후정보 산출
- 기후적 최대한계치 정보 생산
○ PORT 위치 고려 요소의 기준 및 형태 확인
- 항공기 운영 지원 시 필요한 기상 정보의 식별 및 사례 분석
- UAM PORT 위치 결정 시 필요한 기상/기후 데이터 식별을 위한 기존 항공 규정의 검토
- 고정밀, 고해상도, 3차원 기상 데이터 및 기후 데이터 생성을 위한 정보 항목의 식별

○ 자료의 종류와 수집 방안
- UAM PORT 위치선정에 필요한 기상관측자료로 지상관측자료, 재분석자료(Reanalysis data)를 사용
- 가용한 기상요소는 바람장, 기온, 습도, 기압, 강수 등이며, 이는 UAM과 같은 도심형 항공모빌리티의 이착륙에 영향을 미치는 중요한 변수임
- 기후적 요소를 고려하기 위해서는 장기간의 지상관측 및 재분석자료의 기후값을 생산하여야 하며, 이를 위해서 20년 이상의 지상관측 및 재분석자료를 수집해야함
- 20년 이상 확보 가능한 지상관측자료 지점 정보 수집 및 재분석자료 자료 다운로드
- 기후학적 정보는 지상관측자료와 재분석자료로 나누어 분석·생산

○ 기후적 요소를 반영한 기상정보 생산
- 기후변화 예측 기술은 물론 UAM PORT 주변 저고도의 기후학적 정보 고도화 및 상세정보 생성을 위한 인공지능(AI) 기술 개발은 미흡한 실정임
- 기후학적 정보를 생산하기 위해서는 최소 30년 이상의 관측자료로부터 기후학적 정보를 산출
- 지상관측자료의 경우 지점마다 상이하지만 대략 최대 20년 이상 자료를 확보 가능
- 기후학적 일/월/계절/연 변동을 산출할 수 있는 최대 1시간 간격의 기상자료 확보 가능
- PORT 위치선정을 위해서 연직방향의 기후학적 정보가 반드시 필요함, 따라서 지표 부근의 기상정보만을 제공하는 지상관측자료만으로는 부족함
- 재분석자료의 장점은 넓은 영역에서 균일한 격자점에 대해 3차원 기상정보를 제공한다는 점임
- ERA5 재분석자료의 바람장의 경우 대략 10m, 100m, 250m(975hPa), 500m(950hPa), 750m(925hPa)의 자료를 제공하고 있음
- 자료의 기간도 ERA5의 경우 1950년부터 최근까지 약 70년의 기상정보를 보유하고 있어, 기후학적 정보 계산에 충분함
- 다만, 수평해상도의 고도화 과정(선형 보간법 등의 내삽에 의한 다운스케일링, AI 기술 활용)을 통해 고해상도 기상정보를 산출해야 함

○ 미래 기후적 변화를 고려한 UAM PORT 위치선정
- 미래기후 시나리오 자료(IPCC 보고서 5차)를 기반으로 PORT 위치선정에서 기후학적 요소의 미래 정보를 반영
- 미래기후 RCP 시나리오에 따른 수치모델 결과(CMIP6)를 수집(https://esgf-node.llnl.gov/projects/cmip6)
- 미래기후 자료의 기후학적 요소를 분석하여, 시나리오에 따른 미래 PORT 지역 주변 바람장 및 기온 등의 패턴 예측할 수 있음
- 과거-현재의 기후적 요소와 미래의 기후적 요소를 종합적으로 고려하여 기상 제약 요소에 따른 PORT 운용의 불확실성을 사전에 제거함으로써 기후변화에 선제적 대응이 가능함(운용 미래 비용 절감)
연구성과 기술적 기대성과 - 관측 기상정보의 기후적 요소 추출 기술 개발
- 스마트시티 내 UAM 이착륙 PORT 위치선정을 위한 기후적 요소의 표준안 제시
- 저고도 소형무인비행체를 포함하는 UAM의 운항정보 서비스에 기후적 요소에 특화된 기상정보의 UTM(Unmanned Aircraft Systems Traffic Management) 적용 확대
- UAM을 포함하는 무인비행체의 운항정보 지원에 특화된 기후적 요소의 GIS 가시화 플랫폼 융합기술 개발 및 확보
- 미래기후정보와 국토교통지리정보의 융합 기술 개발 및 적용
- 격자 및 비격자 기상정보의 고도화에 필요한 다운스케일링 기법 적용 기술 활용
- 머신러닝 등의 인공지능기술 활용을 통한 저고도 기상정보 고도화 기법 기술 적용 및 스마트모빌리티 기술력으로 확장 발전
사회 경제적 파급효과 - UAM PORT는 두 종류의 스마트대중교통를 연결하는 UAM과 PBV(목적기반모빌리티)의 환승 거점으로 활용되어 기후적 요소를 고려한 최적의 허브 위치선정은 자연재해로 인한 미래모빌리티 운영의 제약을 예측함으로써 경제적 손실을 최소화
- 기후적 요소를 고려한 무인비행체·도심항공모빌리티(UAM) PORT 위치선정 사업의 확대 추진에 따라 UAM 등의 저고도 비행체의 수요가 증가
- 도심지역 공중 이동체 운항 수요 계획의 기초 자료로 활용
- 미래기후정보를 활용한 PORT 위치선정 기술은 스마트시티 관리 및 미래모빌리티 운영 수요 예측의 기상분야 기본 자료로 활용 가능
- 도심지 외의 험난지형에서의 PORT 설치 가능성 정보를 기후학적 요소로 제공함으로써 접근성이 떨어지는 교통정보 활용 관련 산업과 UAM과의 연계 토대 마련
- 기상으로 인한 PORT 운용 제한 시에 발생할 수 있는 인적·물적·시간적 손실을 예측하고 줄일 수 있음
- 악기상으로 인한 PORT 주변 UAM 등 무인비행체의 이착륙 시 사고 발생 최소화 및 사고 방지를 통한 안전 보장
- 기상기후자료 활용을 통한 민간 기상서비스 및 기상산업 활성화 기틀 마련
- UAM PORT 운용에 필수적인 관련 산업(무인비행장치, 지상통제장치 개발 인공지능기술 개발 및 이를 활용하는 기업?산업)의 기술적 지원과 활성화를 통한 미래성장 동력화 및 일자리 창출
- 저고도 UAM의 도심지 운영 안전성 확보 단계에서 장기간의 기상정보를 고려하지 않은 무분별한 이착륙 PORT 개발을 방지하여, 체계적인 도심 저고도 안전·통제 계획 수립을 가능하게 함
- 악기상 발생 가능성을 최소화함으로써 UAM 등 도심비행체의 이착륙 사고를 미연에 방지하여 재산·인명피해를 최소화
- 기후학적 정보를 UAM PORT 위치선정에 실용화함으로써 UAM과 연계되어 적용되는 스마트 대중교통 분야로 서비스 확대가 가능
- 스마트시티의 정확한 저고도 기상정보의 기후요소를 대국민에게 쉽게 제공할 수 있는 기반으로 활용 가능하여, 민간 무인비행체 저고도 운항의 안전에도 기여
- 추후 미래형 UAM의 대중화 시점에 필요한 스마트 대중교통 대국민 복지 서비스의 기틀을 마련
- UAM 수요 증가에 따른 무분별한 PORT 개발 방지를 위한 가이던스 마련
활용방안 ○ 기상자료의 기후적 요소 생산 및 고도화
- 장기간의 저고도 기상자료를 활용하여 UAM 및 UAM PORT 운용과 연관된 평균적인 기후적 요소를 분석·산출하여 스마트 대중교통 전용 빅데이터를 구축 활용하고 원천기술을 확보하게 됨
- 도심지역의 세밀하고 정교한 기상정보를 생산하여 기후적 요소의 고도화를 꾀하고 UAM PORT 위치선정에 적합한 기상자료의 기후적 요소를 제공함
- 기후적 요소를 고려한 PORT의 위치선정은 국지적 악기상 발생에 의한 기회비용을 최소화하고 매몰비용 발생을 방지하여 경제적 손실 발생 가능성을 낮춤
- 인공지능 기법을 활용한 고도화 과정 도입에 따른 기상자료의 다운스케일링 기술력 확보
- 과거-현재뿐만 아니라 미래기후자료를 활용하여 추후 발생 가능한 기상 제약조건을 사전에 분석하는 기후 위험요소 예측자료 및 예측기술 확보

○ 공간정보와 기후적 요소를 결합한 GIS 플랫폼 기반의 가시화 시스템
- 대도시의 공간정보와 기후적 요소를 결합하여 GIS 가시화 플랫폼에 적용함으로써 PORT 기후적 요소에 적합한 위치선정 가능
- 기후적 요소는 저고도 공역 내 안전한 무인비행장치 운용을 위한 자동화/무인화 교통관리 및 감시 체계 및 관제에도 활용 가능함
- 국가 및 지자체 UAM PORT 위치선정에는 물론 일반 민간사용자의 저고도 무인비행체 운항에 필요한 기후·기상정보 활용에도 오픈 데이터로 제공(공공의 이익 증진)
- 기상자료의 기후적 요소와 공간정보를 결합한 플랫폼 및 소프트웨어 모듈 기술의 상용화
- K-UAM 로드맵에 따라 UAM PORT 위치선정에 참여 및 GIS 기반 가시화 플랫폼의 관련 기술 수출
- UAM을 포함하는 저고도 무인비행체 교통관리체계(UTM)과 가시화 플랫폼의 결합을 통한 가치 창출
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 도심항공교통 기후적 요소 저고도 기상 이착륙장 지리정보시스템
영문 Urban Air Mobility (UAM) Climatological Element Low Altitude Weather UAM PORT Geographic Information System
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