AEDT와 대리모델 기반 군용비행장 항공기 운항 다목적 최적화 연구 = Multi-Objective Optimization of Military Airbase Operations Using AEDT and Surrogate Model

국문 초록 (Abstract)

제 목 : AEDT와 대리모델 기반 군용비행장 항 공기 운항 다목적 최적화 연구 현대 항공산업의 성장과 함께 공항 주변 지역사회의 소음 피해 문제는 해 결해야 할 시급한 과제이다. 본 연구는 군용비행장을 대상으로 항공기 소음 （Lden, WECPNL）과 연료 소모량, 배출가스를 동시에 최소화하는 파레토 （Pareto） 최적 운항 전략을 제안한다. 기존의 항공기 소음 모델링 도구인 AEDT（Aviation Environmental Design Tool）는 높은 계산 비용으로 인해 다 목적 최적화 수행에 한계가 있었다. 이를 극복하기 위해 본 연구에서는 24개 의 AEDT 시뮬레이션 데이터를 기반으로 가우시안 프로세스（Gaussian Process, GP） 대리모델을 구축하고, NSGA-II 알고리즘을 결합하여 최적화를 수행하였다. 또한, Sobol 지수 기반의 글로벌 민감도 분석을 통해 주요 운항 변수가 목적함수에 미치는 영향을 정량적으로 규명하였다. 연구 결과, 구축된 GP 대리모델은 AEDT 대비 계산 시간을 획기적으로 단 축하면서도 평균 0.93 수준의 높은 예측 정확도（ ）를 보였다. 도출된 최적 해（Pareto Solution）를 적용할 경우, 기준 시나리오 대비 소음 노출 인구는 최대 43.7%, 연료 소모량은 약 48% 저감 가능한 것으로 분석되었다. 민감도 분석 결과, 활주로 21L과 21R의 사용 비율이 소음과 연료 효율에 가장 큰 영향을 미치는 핵심 변수로 확인되었다. 본 연구는 소음 저감과 연료 효율성 간의 상충 관계（Trade-off）를 정량적으로 제시함으로써, 공항 운영자가 환경 적·경제적 요인을 종합적으로 고려하여 과학적인 의사결정을 내릴 수 있는 프레임워크를 제공한다는 점에 의의가 있다. 주요어 : 항공기 소음, AEDT, 다목적 최적화, 가우시안 프로세스, NSGA-Ⅱ, 민감도 분석

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구배경 1
• 1) 항공산업 현황 및 환경 규제 1
• 2) 기존 연구의 한계 1
• 3) 연구목적 2
• 2. 연구내용 4
• Ⅱ. 이론적 배경 6
• 1. 항공기 소음의 특성 6
• 1) 항공기 소음의 주요 소음원 6
• 2) 항공기 소음의 시간·주파수 특성 11
• 2. 항공기 소음의 영향 12
• 1) 인체에 미치는 영향 12
• 3. 항공기 소음 평가 방법 16
• 1) Lden(Day-Evening-Night weight sound Level) 16
• 2) WECPNL(Weighted Equivalent Continuous Perceived Noise Level) 18
• 4. 항공기 소음 모델링 소프트웨어(Aviation Environmental Design Tool) 20
• 5. 다목적 최적화(Multi-Objective Optimization, MOO) 21
• 1) 다목적 최적화의 정의 21
• 2) 파레토 최적(Pareto Optimality)의 개념 22
• 3) 문제 해결 방법 23
• 4) NSGA-Ⅱ(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm- Ⅱ 24
• 6. 대리모델(Surrogate Model) 26
• 1) 가우시안 프로세스(Gaussian Process, GP) 27
• 2) 커널 함수(Kernel Functions) 29
• 7. 민감도 분석(Sensitivity Analysis) 32
• 1) OAT(One At a Time) 분석 32
• 2) Sobol 지수 글로벌 민감도 분석 33
• Ⅲ. 연구 방법 37
• 1. 연구 대상 비행장 37
• 2. 항공기 소음측정 39
• 1) 측정 항목 39
• 2) 측정 장비 39
• 3) 측정 지점 39
• 3. AEDT 시뮬레이션 41
• 1) AEDT의 핵심 특징 41
• 2) AEDT의 입력 변수(Input Parameters) 41
• 3) AEDT 시뮬레이션 설계 42
• 4) AEDT 계산 절차 54
• 4. Gaussian Process 대리모델 구축 57
• 1) Gaussian Process 모델 성능 평가 57
• 5. NSGA-Ⅱ를 이용한 다목적 최적화 60
• 6. Sobol 지수를 이용한 글로벌 민감도 분석 62
• 1) 실제 계산 절차 62
• 2) 민감도 분석의 해석 63
• Ⅳ. 연구결과 65
• 1. AEDT 시뮬레이션 결과 65
• 1) 24개 시나리오의 분석결과 65
• 2) 실측 데이터와 시나리오 예측결과 비교 87
• 2. GP 대리모델 성능 평가 결과 89
• 1) A 군용비행장 95
• 2) B 군용비행장 97
• 3. 샘플 수에 대한 GP 대리모델 평가 100
• 4. NSGA-Ⅱ 다목적 최적화 결과 101
• 1) A 군용비행장 101
• 2) B 군용비행장 105
• 3) A, B 군용비행장의 소음 단일목적 최적해 109
• 4) GP 대리모델 불확실성 109
• 5. Sobol 지수 민감도 분석 결과 111
• 1) A 군용비행장 111
• 2) B 군용비행장 116
• 6. 최적해 AEDT 모델링 비교 120
• 1) A 군용비행장 121
• 2) B 군용비행장 121
• Ⅴ. 고찰 122
• Ⅵ. 결론 131
• 참고문헌 133
• Abstract 136