[논문 리뷰] Trajectory-Based Urban Air Mobility (UAM) Operations Simulator (TUS)

Euclides Carlos Pinto Neto, Derick Moreira Baum외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 23.

Air Traffic Management and Optimization참고 문헌 48인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 도시 환경에서 전기垂直 Takeoff and Landing (eVTOL) 항공기의 항로 안전성과 효율성을 평가하는 이산적 사건 시뮬레이션 프레임워크인 궤도 기반 도시 항공 이동(UAM) 운영 시뮬레이터(TUS)를 제시한다. 인명 운항 및 무인 eVTOL 운영을 엄격한 최소 간격 기준으로 모델링함으로써 TUS는 비행 시간과 안전 준수 정도를 정량화하며, 현실적인 도시 공역 제약 조건 하에서 궤도 계획에 대한 테스트베드를 제공한다.

ABSTRACT

Nowadays, the demand for optimized services in urban environments to provide better society wellness is increasing. In this sense, ground transportation in dense urban environments has been facing challenges for many years (e.g., congestion and resilience). One import outcome of the effort made toward the creation of new concepts for enhancing urban transportation is the Urban Air Mobility (UAM) concept. UAM aims at enhancing city transportation services using manned and unmanned vehicles. However, these operations bring many challenges to be faced, e.g., the interaction between the controller agent and autonomous vehicles. Furthermore, trajectory planning is not a simple task due to several factors. Firstly, the trajectories must consider a reduced minimum separation as eVTOL vehicle are expected to operate in complex urban environments. This leads the trajectory planning process to observe safety primitives more restrictively once the airspace is expected to comport many vehicles that follow small minimum separation standards. Thereupon, the main goal of the Trajectory-Based UAM Operations Simulator (TUS) is to simulate the Trajectory-Based UAM operations in urban environments considering the presence of both manned and unmanned eVTOL vehicles. For this, a Discrete Event Simulation (DES) approach is adopted, which considers an input (i.e., the eVTOL vehicles, their origin and destination, and their respective trajectories) and produces an output (which describes if the trajectories are safe and the elapsed operation time). The main contribution of this simulation tool is to provide a simulated environment for testing and measuring the effectiveness (e.g., flight duration) of trajectories planned for eVTOL vehicles.

연구 동기 및 목표

• 밀도가 높은 도시 공역에서 eVTOL 항공기의 궤도 기반 운영을 테스트하기 위한 시뮬레이션 환경을 개발하기 위해.
• 엄격한 최소 간격 기준 하에서 계획된 궤도의 안전성과 운영 효율성을 평가하기 위해.
• 도시 항공 이동 시스템을 위한 궤도 계획 알고리즘의 개발 및 검증을 지원하기 위해.
• 복잡한 도시 환경에서 자율 eVTOL 차량과 항공 교통 관제 요원 간의 상호작용을 모델링하기 위해.

제안 방법

• 시뮬레이터는 도시 공역 내 eVTOL 차량의 동적 행동을 모델링하기 위해 이산적 사건 시뮬레이션(DES) 기법을 사용한다.
• 입력으로는 eVTOL 차량, 출발지 및 도착지, 사전 정의된 궤도가 포함된다.
• 항로는 항공기 간 최소 간격 기준에 따라 안전성에 따라 평가된다.
• 시뮬레이션은 궤도가 안전한지 여부를 출력하고 총 운영 시간을 기록한다.
• 높은 교통 밀도와 감소된 간격 기준으로 인해 안전 기초 요소가 더 엄격하게 적용된다.
• 공동 도시 공역 환경에서 수인 및 무인 eVTOL 운영을 모두 지원하는 프레임워크이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최소 간격 기준은 도시 환경에서 eVTOL 항로의 실현 가능성과 안전성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 고밀도 운영은 궤도 계획 및 충돌 해소에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 실제 도시 공역 제약 조건 하에서 eVTOL 차량은 얼마나 효율적으로 미션을 완수할 수 있는가?
• RQ4 시뮬레이터가 자율 항공기 간의 충돌을 얼마나 잘 탐지하고 안전한 간격을 확보할 수 있는가?

주요 결과

• TUS 시뮬레이터는 엄격한 최소 간격 기준 하에서 계획된 eVTOL 항로의 안전성을 성공적으로 평가하였다.
• 시뮬레이션 프레임워크는 비행 시간과 운영 효율성의 정량적 측정을 가능하게 하였다.
• 이 도구는 궤도 충돌을 식별하고 고밀도 도시 공역에서 안전 기초 요소 준수를 보장하였다.
• 이산적 사건 시뮬레이션 기법은 자율 eVTOL 차량과 항공 교통 관제 요원 간의 동적 상호작용을 효과적으로 모델링하였다.
• 실제 도시 항공 이동 조건 하에서 궤도 계획 알고리즘 평가를 위한 확장 가능한 테스트베드를 제공하였다.
• 프레임워크는 동일한 도시 공역 환경 내 수인 및 무인 eVTOL 운영 분석을 지원하였다.