우편 배송을 위한 무인비행장치 운영관리 어플라이언스 설계

2-1 연구 배경

현재의 드론 물류 배송 연구는 보유한 드론을 가지고 가상의 물품을 배송하는 시험 비행은 운영관리 어플라이언스 없이 드론과 관제 시스템만으로도 가능하지만, 배송용 드론의 성능이 향상되고 드론 비행에 대한 실시간 제어를 위한 연구가 안정화되어 상용화가 된 이후에 실제 우편물을 고객에게 배송하는 수준까지 발전하게 되면, 관제 시스템만으로는 어렵고 운영관리 어플라이언스가 필요하다. 왜냐하면, 관제 시스템은 드론의 실시간 비행을 위한 시스템으로 드론에 배송 임무를 전달하고 드론이 정상적으로 비행하고 있는지 실시간 모니터링하며, 비상 상황 시, 드론을 제어하기 위한 시스템이기 때문이다.

2-2 운영관리 어플라이언스의 정의

운영관리 어플라이언스는 드론을 이용한 우편물 배송을 위한 기초 정보를 관리하고 이 기초 정보를 이용하여 우편물 배송을 위한 임무를 생성하고 관제 시스템에 배송 임무를 전달하며 배송 임무 결과를 저장하고 배송 이력을 관리하는 기능으로 구성된 시스템이다.

드론 배송을 위한 기초 정보로는 우선 배송용 드론 기체 정보가 있고, 기체에 배송할 우편물을 싣기 위한 대표적인 임무 장비로 적재함이 있다. 또한, 드론이 배송해야 하는 배송 우편물에 대한 상세한 정보(발송인, 수신인, 크기, 무게 등)와 드론이 배송할 수 있는 위치 정보를 저장하고 관리해야 한다. 배송 임무는 드론, 배송 우편물과 배송 위치를 이용하여 생성하며, 이를 관제 시스템에 전달하고 임무 결과를 수신하여 배송 임무 이력과 드론 배송 이력을 관리할 수 있다.

2-3 운영관리 어플라이언스의 필요성

많은 드론 연구가 드론 기체의 성능 향상과 실시간 관제에 대해 이루어지고 있다. 이를 통해 드론의 하드웨어 플랫폼의 경량화 및 모터 등의 기술 개발을 통해 고중량, 고출력 드론도 개발되고 있고, 최근에는 보편적으로 사용되고 있는 리튬-폴리머 배터리 대신 수소 전지를 활용하여 운용 시간의 한계를 획기적으로 늘린 드론도 개발되고 있다.[7] 이와 함께 드론을 제어하기 위한 관제 시스템도 많이 연구되어 LTE를 활용한 비가시권 비행이나 정교한 군집 알고리즘을 활용한 군집 드론도 가능하게 되었다.

물류 배송을 위한 드론이 개발되고 이를 관제할 수 있는 시스템이 잘 갖춰지더라도 배송할 물품에 대한 정보와 배송할 장소에 대한 정보가 없다면 배송 드론은 일회성 테스트나 시연용으로 사용될 뿐 물류 시스템으로 상용화되기는 어렵다.

그러므로 다수의 드론 기체와 임무 장비들의 정보를 체계적으로 관리하고 우편물과 같은 배송 물품 정보와 드론이 배송해야 하는 배송 위치 및 배송 이력을 관리하기 위한 시스템이 필요하다. 즉, 배송 드론과 관제 시스템이 주어진 배송 임무를 성공적으로 수행하는 역할을 한다면, 운영관리 어플라이언스는 그 배송 임무를 위한 관련 정보를 관리하고 배송 이력을 관리하는 역할을 담당하여 하나의 드론 물류 배송 시스템을 구성한다.

3-1 어플라이언스의 구성

드론 배송을 위한 운영관리 어플라이언스는 표 2에서 보이는 것처럼 드론 관리 모듈, 임무 장비 관리 모듈, 배송 물품 관리 모듈, 배송 위치 관리 모듈, 배송 임무 관리 모듈, 배송 이력 관리 모듈로 구분하여 설계하였다

Table 2.

Operation Management Appliance Configuration

3-2 어플라이언스의 구성 모듈

어플라이언스 구성 모듈 설계에 앞서 필요한 요구사항을 도출하였다. 요구사항은 사용자 일반 요구사항 10개, 사용자 서비스 요구사항 2개, 시스템 기능 요구사항 17개, 시스템 인터페이스 요구사항 10개, 시스템 비기능 요구사항 1개를 도출하여 요구사항 정의서를 작성하였고, 각 모듈에서 설계 개발될 기능을 정의하는 기능규격서를 작성하였다. 이를 통해 아래와 같이 구성 모듈을 설계하였다.

먼저, 하드웨어에 대한 기본 정보를 관리하는 모듈로 드론 관리(Drone Management) 모듈과 임무 장비 관리(Mission Equipment Management) 모듈은 다수의 드론의 정보를 저장하고 관리하는데, 각 드론의 성능(크기, 모델, 제조사, 최대 이륙 중량, 최대 비행 거리, 최대 비행시간, 최대 적재 중량) 정보를 운영관리 어플라이언스에 저장하여 관리하고 각각의 드론에 장착할 수 있는 배송 임무 장비인 적재함 정보를 관리하여 어떤 드론이 얼마나 무거운 물품을 배송할 수 있고 얼마나 멀리 배송할 수 있는지 관리할 수 있도록 설계하였다. 배송용 드론은 배송 가능한 적재 중량과 배송 가능 거리 및 배송 가능 시간에 따라 임무를 생성해야 비행 중 추락과 같은 사고를 줄일 수 있다.

다음 배송 물품 관리(Delivery Items Management) 모듈은 드론으로 배송해야 하는 물품에 대한 정보를 관리하는 모듈로 해당 물품이 누가 보내고 누가 받는지에 대한 배송에 관련된 정보뿐만 아니라 물품의 크기(가로•세로•높이) 정보와 무게 정보를 포함하도록 설계하였다. 그 이유는 드론에 따라 적재가 가능한 무게와 배송 가능한 거리가 정해져 있어서 배송 물품에 대한 정보를 정확히 관리해야 드론과 배송 물품 정보를 이용해서 배송 임무를 적절하게 생성할 수 있다. 시험 비행에서는 배송 물품 정보를 직접 입력하는 것이 가능하더라도 실제로 드론 배송이 상용화되면 물품 정보는 물류 시스템(logistics system)을 통해서 전달받아야 한다. 본 연구는 우편 배송을 위한 무인비행장치 운영관리 어플라이언스 설계이므로 우정사업본부의 물류시스템인 우편 물류 정보 시스템(PostNet)과의 연동을 고려하여 설계하였지만, 다른 물류 시스템을 사용한다고 한다면 그 시스템과의 연동을 통해 물품 정보를 받아야 한다. 우정사업본부의 내부 시스템인 우편 물류 정보 시스템과의 직접 연동은 쉽지 않으므로 이를 가정한 모사 서버를 구성하고 모사 서버와의 인터페이스를 설계하였다.

배송 위치 관리(Delivery Points Management) 모듈은 드론이 이동해야 하는 위치를 말하며, 버스터미널과 유사하다. 앞에서 언급한 미국의 아마존이 연구하고 있는 ‘프라임 에어’는 주문한 고객의 집의 마당에 비교적 작은 물품을 배달하는 것을 연구하고 있지만, 우리나라는 집들이 가까이 붙어있고 마당도 비교적 넓지 않기 때문에 넓은 공터가 있는 곳을 배송 위치로 지정하고 해당 위치 주변 지역의 물품을 지정된 위치에 배달하는 연구를 진행하고 있다. 만약 배송 위치를 관리하지 않고 물류 배송이 상용화되면, 하늘에 많은 드론이 날아다니면서 충동이 일어날 수 있고, 추락 시 안전 문제가 발생할 수 있다. 또 비행 시, 사생활 침해 등의 문제가 생길 수 있기 때문에 사전에 배송 위치를 정하고 정해진 비행 항로를 따라 비행하면 이런 문제를 줄일 수 있을 것이다. 행정안전부는 2019년에 우정사업본부, 한국전자통신연구원 등 5개 기관과 도서•오지에 공공 부분 드론 배송 기지 10곳을 만들기 위한 업무협약을 진행했다.[8] 이런 연구를 통해, 우리나라의 드론 배송은 정해진 배달 위치를 왕복하는 모습으로 구현될 것으로 판단하며, 비행기의 항로처럼 드론 배송을 위한 하늘길도 지정될 것이다.

지금까지 배송을 위한 모든 정보가 저장되고 관리되는 모듈을 설계하였다. 배송 임무 관리(Delivery Mission Management) 모듈은 저장된 정보를 이용하여 배송 임무를 생성하고, 생성된 임무를 드론 배송 관제 시스템으로 전달하는 역할을 담당한다. 임무 생성은 그림 2와 같이 저장된 정보에서 배송할 물품을 선택하고 배송할 드론을 선택한 후, 배달할 배달 위치를 선택하여 생성한다. 생성된 배송 임무를 드론 배송을 위해 관제 시스템으로 전송하고 관제 시스템과 배송 드론이 배송 임무를 진행한 결과를 수신받아 저장하는 기능을 포함한다. 이 기능은 드론 배송 관제 시스템과의 연동을 통해 구현되어야 한다.

Fig. 2.

Stages of creating a delivery mission

마지막 모듈은 배송 이력 관리(Delivery History Management) 모듈로 저장된 드론 배송 결과를 통해 드론 배송 별 이력과 배송 위치별 이력을 관리하고 배송 상태별 통계 등을 통해 수행된 드론 배송을 평가하고 향후 드론 배송과 관련된 정책을 결정하는 자료로 활용될 수 있도록 설계하였다. 또한, 기존 배송 이력과 수정된 배송 이력을 비교함으로써 수정 사항에 대한 평가도 가능할 것으로 판단한다.

이를 기반으로 각 모듈에 대한 화면설계와 모듈별 인터페이스를 설계하고 데이터베이스 테이블을 정의하고 설계하였다.

Fig. 3.

Database design

3-3 어플라이언스의 기대효과

미국의 아마존과 같이 소형이면서 작은 중량의 물품을 드론으로 빠르게 배송하는 경우, 배달 시간이 오래 걸리거나 접근이 쉽지 않은 지역에 드론을 이용하여 배송 시간을 단축하는 경우나 긴급 상황에서 의약품을 빠르게 보급하는 경우 등을 위해서 세계 많은 나라에서 드론 배송 서비스를 연구하고 시험하고 있다.

위의 연구와 시험을 통해 드론 배송 시스템이 본격적으로 운영되면 본 논문에서 설계한 무인비행장치 운영관리 어플라이언스는 드론 배송 시스템의 핵심 기능의 역할을 담당하여 배송 관련 정보와 배송 임무를 저장하고 관리할 것이며 다음과 같은 장점이 있다.

첫째, 드론 및 임무 장비에 대한 정보 관리를 통해 드론 및 임무 장비에 대한 정보를 체계적으로 관리하여 배송 횟수나 배송 거리에 따른 부품 교체 시기를 관리할 수 있고 드론 정비 시기와 노후화에 대비할 수 있다.

둘째, 물류 회사가 드론 배송을 시도하려고 할 때, 별도의 드론 배송 물류 시스템을 구축할 필요가 없이, 보유하고 있는 물류 시스템과의 연동으로 드론 배송을 도입할 수 있다. 설계에 따라 물류 시스템과 연동하면 기존의 물류 배송은 그대로 활용하고 드론으로 배달해야 하는 물품 정보만 운영관리 어플라이언스로 전송한 후 관제 시스템과 배송 드론으로 임무를 수행한 후 그 결과를 기존 물류 시스템으로 전달하여 배송 절차가 완료된다.

셋째, 만약, 배송 요청을 받고 매번 다른 지역으로 드론 배송을 해야 한다면 해당 지역이 배송이 가능한 곳인지, 비행 중에 장애물(전신주, 전깃줄, 가로수 등)은 없는지, 비행이 가능한 거리인지 등 고려해야 할 상황이 많겠지만, 지정된 배송 위치를 관리함으로써 미리 설정된 경로(위도, 경도, 고도)로 드론이 비행하므로 드론 비행에 따른 위험 부담을 줄일 수 있다.

마지막으로 배송에 필요한 운영 데이터는 운영관리 어플라이언스에서 관리하고 드론 배송 관제 시스템은 수행해야 하는 임무와 비행하는 드론 제어에 집중하여 안전한 드론 배송을 가능하게 할 수 있다.

4-1 드론 배송 시스템의 구성

드론 기술이 예전보다는 발전했지만, 배송 가능한 거리와 배송의 무게에 제한이 있어 물류 배송의 시작인 물류 센터에서 끝인 고객의 집까지 드론만으로 배송하기는 어렵다.

예를 들어 서울에서 태안의 섬까지 물품을 배송한다고 가정할 때, 서울에서 태안까지는 기존의 방식대로 물류 차량을 이용하여 배송한다. 이 중 섬으로 배송해야 하는 물품 중 드론으로 배송이 가능한 물품에 대해 드론 배송 시스템으로 배송한다. 이렇게 장거리 운송 후 도심 지역에 도착 후, 최종 고객에게 물품을 배달하는 것을 라스트-마일 배송(Last-Mile delivery)이라고 하며, 드론 배송은 전체 물류 배송 중에서 배송 취약 지역에 대한 라스트-마일 배송 부분을 담당한다. [9]

드론 배송 시스템의 운영관리 어플라이언스는 전달받은 물품 정보와 드론, 배달 위치를 이용하여 배송 임무를 생성하고 관제 시스템으로 임무를 전달한다. 임무를 전달받은 관제 시스템은 드론에게 임무를 전달하고 드론이 자동으로 물품을 배송하고 복귀하면, 관제 시스템은 운영관리 어플라이언스에 임무 결과를 전달하고 이를 물류 정보 시스템에게 완료 메시지를 전달하여 배송을 완료한다.

이상의 내용을 기초로 본 논문에서 설계한 운영관리 어플라이언스를 포함한 드론 배송 시스템의 전체 구성(안)은 아래 그림 4와 같다.

Fig. 4.

Drone delivery system

그림 4에서 보는 것과 같이 물품을 실제로 배송하는 부분은 임무를 드론에 전달하고 실시간 모니터링을 하는 것은 관제 시스템과 물품을 싣고 비행하는 드론이지만, 물류 정보 시스템과 연동해서 물품 정보를 관리하고 드론과 배송 위치 정보를 이용해서 임무를 생성하고 관제 시스템에 전달하는 것은 운영관리 어플라이언스의 역할이다.

4-2 드론 배송 시스템을 위한 고려사항

우리나라를 포함하여 세계 여러나라에서 드론 시장 규모를 밝게 전망하고 있다. 한국드론협회에서 정리한 2020년 드론 관련 보고서를 보면, 글로벌 민간용 드론 시장은 2018년 약 16조원(USD $14B) 규모였는데, 향후 2024년에는 약 48조원(USD $43B) 규모로 성장할 것으로 예상했다. 그 중 배송 서비스 분야는 글로벌 시장 기준 40%에 이를 것으로 예상했다.[10]

이런 전망에도 불구하고 드론 배송 시스템이 상용화하기 위해서 몇 가지 고려해야 할 사항들이 있다. 드론 배송 시스템에서 무엇보다 중요한 것은 안전성이다. 공중에서 비행하던 드론이 사람이나 차량의 위나, 건물의 지붕에 추락하는 경우 물적 피해뿐만 아니라 인명 피해도 발생할 수 있기 때문이다. 이런 위험 때문에, 앞서 소개한 CJ스카이도어의 경우 드론의 추락이 감지되면 자동으로 낙하산이 펴지는 낙하산 전개시스템을 도입했다. 드론 프롭에 의한 소음 문제와 개인정보침해와 같은 사생활의 문제, 정부의 법 제도와 규제 등도 앞으로 풀어야 할 숙제이다. 미국의 경우 사전 허가를 통해서만 드론 비행을 할 수 있지만, 프랑스는 드론 시장 활성화를 위해 25kg 미만 상업용 드론의 규제를 완화했고, 오스트리아도 25kg 이하의 드론은 인물 촬영을 금하는 개인정보보호 정책만 가지고 있다. 호주에서의 시범 서비스에 대한 소음 민원 문제나 스위스 드론 추락사고로 인한 안전성 문제 등이 해결해야 할 문제로 알려져 있다. [2]

드론 기술은 끊임없는 연구를 통해서 많은 발전을 했고 앞으로도 발전하겠지만, 특히 비행 거리를 늘리기 위한 배터리 기술과 새나 전기줄과 같은 비행 중 혹은 착륙 장소에 있는 장애물에 대한 회피 기술, 비가 오거나 야간에도 비행할 수 있는 기술의 발전과 비상 상황에서의 대처 능력을 위해 더 많은 연구가 계속 진행되고 있으므로 드론이 배달해 주는 택배를 직접 받는 날이 곧 올 것이다.