1962년 영국항공은 항공 산업의 확대와 교통량의 증가로 늘어날 수 있는 항공사고 증가율을 줄이기 위해서 최초로 비행자료분석시스템(Flight Operations Quality Assurance, FOQA)을 시행하였으며, 1995년 미국 항공사들의 자발적 참여 프로그램으로 실제 비행에서 발생하는 기술적인 결함, 위험한 상황 등에 대한 비행데이터를 수집/분석하는 것을 목적으로 개발되었다. 민간부문에서는 International Civil Aviation Organization (ICAO)와 Federal Aviation Administration (FAA)의 권고에 따라 2000년 초부터 대부분의 나라에서 규정화하여 FOQA 안전프로그램을 적용하여 운영하고 있다[1].

민간항공사는 ICAO ANNEX-6에 따라 Safety Management System의 일환으로 FOQA를 의무적으로 실시하며, FAA에서는 2004년에 FOQA의 공식적 정의를 ‘비행자료를 선제적으로 활용하여 항공안전을 증진하기 위한 자발적 안전프로그램’이라고 명시하고 있다. 우리나라도 항공안전법 시행규칙에서 FOQA를 규정하고 있고 국내의 각 민간항공사는 안전보안실을 주축으로 FOQA를 운영하고 있다.

또한, 민간분야의 FOQA 안전프로그램 효과성을 인정한 미 공군에서는 벤치마킹을 통하여 군용기 비행자료분석시스템(Military FOQA)이라는 명칭으로 적용하고 있으며, 이전에는 무엇이 잘못되었는지에 대해 항공기 사고 건수, 사고 분류(Class A, B 등), 사망자 수, 안전조사위원회 분석을 주로 사용하는 부정적인 경향을 확인했었으나, Milltary FOQA (MFOQA)를 통해 사고의 부정적 영향 없이 동일한 경향을 측정할 수 있게 되었다[2]. 미 공군 안전센터에서는 사전적 예방 안전을 위한 안전관리기법으로 MFOQA에 대해 강조하고 있으며, 이 안전프로그램은 추세 인식, 항공기 시스템 성능에 대한 지속적인 지식, 실제 임무 달성에 대한 절차, 정책 및 승무원 교육의 효율성에 대한 통찰력을 통해 임무 효율성과 인적오류를 개선하고 향상시키기 위해 여러 수준 및 기능 영역에 역량을 제공한다고 밝히고 있다.

따라서, 한국공군에서도 시대의 흐름에 맞추어 예측적 안전관리를 하기 위하여 비행자료분석시스템 도입을 위한 이벤트(event) 파라미터를 도출하여 객관적이고 과학적인 방법으로 비행 안전을 확보해야 할 필요성이 있다.

비행품질보증을 의미하는 상업적 명칭으로 FOQA로 사용하고 있으며, 공식적으로는 Flight Data Monitoring 또는 FDA (Flight Data Analysis)라고 한다.

FOQA는 항공기 운항 중 기록된 모든 비행자료를 수집, 분석하여 정상적 운항 상태 외의 모든 위험요소를 발췌하여 잠재적 위해요인을 사전에 예방하기 위한 시스템이며, 항공기에 장착된 장비를 이용하여 분석에 필요한 자료를 수집하기 때문에 객관적인 자료를 정량적으로 수집할 수 있다. FOQA는 철저히 비공개 및 비처벌 원칙으로 운영하며 운항 중 실수를 범한 조종사를 처벌하거나 징계하기 위한 수단으로 사용하지는 않는다.

일반적으로 항공기 블랙박스로 알고 있는 FDR (Flight Data Recorder)은 사고조사를 목적으로 항공기에 장착되어 있는 장비로써 비행자료 분석을 위해 사용하기에는 여러 가지 제약사항이 많고 불편하여 이를 보완하기 위해 QAR (Quick Access Recorder)을 개발하였다. QAR은 FDR의 사고조사를 위한 법적 요구 자료 이외에 각 항공사가 필요에 따라 저장자료를 추가할 수 있으며, 분석을 위해 기록 매체를 쉽게 장·탈착하도록 고안되어 있다[3]. QAR은 비행데이터를 데이터 카트리지 또는 광디스크와 같은 이동이 가능한 매체에 기록하며, 조종실 뒤쪽과 같은 곳에 설치되어 접근이 용이하고 데이터를 기록한 기록 매체의 수집도 신속하게 할 수 있다. 데이터는 지상의 컴퓨터에 의하여 재생 및 분석되며, 이 과정에서 통상 보고되지 않는 불안전한 요소나 비정상적인 상황들이 발견된다. Fig. 1은 CEFA사의 FOQA 프로그램 화면 샘플이며, 실제 비행에서의 경로, 고도, 속도 등의 데이터를 다운받아 지상의 시스템과 연결하게 되면 실제 비행과 동일한 상태의 비행 환경을 시뮬레이션을 통해 구현할 수 있다[4].

항공기 등록국, 항공기 크기, 형식 등에 따라 시스템이 조금씩 다르긴 하지만 일반적으로 Fig. 2와 같이 구성된다[5].

국내에서는 항공안전법에 따라 항공사에서 FDA를 의무적으로 실시하고 있으며, 각 민간항공사는 안전보안실을 주축으로 FOQA를 운영하고 있다. 항공기 운항이 종료되면 Digital Flight Data Acquisition Unit와 연결된 QAR로부터 비행자료를 분석함으로써 비행 안전과 전반적인 운항 효율성을 증대하고 있으며, 정비 효과성을 한층 더 높이고 항공기 운영비용을 절감하는 역할도 하고 있다. 미 공군은 안전센터에서 운영 및 감독을 하고 있으며, 프로그램 감독자, 프로그램 관리자, 비행데이터 분석가, 게이트키퍼(위험이나 오류를 적절하게 평가하고 완화하기 위해 필요한 세부사항을 수집하기 위한 장치나 승무원 정보에 대한 접근 권한이 있는 사람)로 구성된다. Fig. 3과 같이 비행데이터 분석은 미 공군 안전센터와 계약한 전임 공군조종 교관이 매월 1,300대의 항공기가 수행하는 6,000회의 비행에서 약 200 GB의 데이터를 분석하고 있으며 조종승무원, 비행운영 지휘관, 안전 요원들을 위한 월간보고서를 발간하고 있다.

1. 민간 항공사고 분석사례

아래의 내용은 미국 민간항공사 SKY Airline이 FOQA 시스템을 활용하여 이벤트를 발생시킨 항목들을 분석한 사례이다[6].

비행 중 이벤트가 가장 많이 발생한 상위 10개 항목의 분석결과는 Fig. 4의 아래 그래프와 같다. 가장 많이 발생한 이벤트는 ‘Taxi Speed exceedance in turn’ 항목으로 1,000건 이상이 발생하였고, ‘Approach Speed high at 1,000 ft AFE’ 이벤트 항목이 약 800건 정도로 두 번째로 많이 발생한 것으로 분석되었다. 또한, 발생한 고위험 이벤트 상위 10개 항목을 분석한 결과를 살펴보면 Fig. 4의 위의 그래프와 같다. 고위험 이벤트 중 가장 많이 발생한 이벤트는 ‘Approach Speed high at 1,000 ft AFE’ 항목으로 334건으로 분석되었으며, 두 번째로 많이 발생한 고위험 이벤트는 ‘Taxi Speed exceedance in turn’ 항목으로 177건이 발생한 것으로 분석되었다.

다음은 FOQA 시스템을 활용한 국내 분석사례이며, 국내 김해공항에 취항하고 있는 항공사들의 FOQA 데이터를 분석한 연구이다. 주요 내용으로는 2013년−2017년 동안 발생한 불안정접근이 3,600건으로 전체 운항의 20%에 해당한다는 연구결과가 있다[7].

구체적인 연구내용을 살펴보면, 불안정접근은 활주로 방향에 따라 RWY18은 1,311건(36.4%), RWY36은 2,289건(63.5%)이며 활주로별 접근 건수를 고려하였을 시 RWY18은 약 26.7%, RWY36은 18.4%로 RWY18 방향이 상대적으로 높은 수치를 나타낸다고 분석하고 있으며, 김해공항은 측배풍이 자주 발생하며 이로 인해 RWY18 방향으로의 선회접근 절차가 빈번한 공항으로 분석하고 있다. 또한, 접근절차 수행 시 초기 단계에 전방 산악 장애물 영향으로 접근 고도가 높으며 회전반경이 제한되어 있어 운항승무원 간 의사소통 오류로 이벤트가 발생할 확률이 높은 공항으로 분석하고 있다.

Table 1은 이벤트 요인별로 불안정접근 빈도를 보여주고 있다. 발생한 이벤트 분류 결과로 Tail Wind 상태에서의 ‘Landing (순간풍속 15 kts 3초 이상 발생)’이 1,475건(40.9%), ‘과도한 Bank Angle’이 1,457건(40.4%), ‘Glideslope Deviation’이 163건(4.5%), ‘Low Pitch Angle on Landing’이 106건(2.9%) 순으로 이벤트 요인이 많이 발생하는 것으로 연구결과가 분석된 것을 알 수 있다.

2. 미 공군 항공사고 분석사례

미 공군의 비행 안전 저해요인을 도출하기 위하여 MFOQA 시스템을 활용하여 분석한 사례를 살펴보았다. Fig. 5는 2018년 4월에 미 해군 항공기지(NAS Fallon)에서 발생한 F-22 항공기의 이륙사고 사진이며, 사고조사 결과, 조종사는 상승 다이브 마커(Climb Dive Marker) 수평선이 수평선 위에 있는지 또는 수직 속도 표시기(Vertical Velocity Indicator)가 양수인지 확인하지 않고 시야로만 항공기가 공중에 떠 있는지 여부를 확인한 것으로 파악되었다. 이 사고로 항공기는 6,500 ft (1,985 m) 이상 미끄러져 활주로 임계값 9,400 ft (2,865 m)에서 정지하였으며, 조종사의 부상은 발생하지 않은 것으로 조사되었다[8].

위의 사고에 대하여 MFOQA 시스템을 활용하여 비행 훈련에서 사고 해당 조종사의 조종 경향 데이터를 분석한 결과, 그림 Fig. 6과 같은 이륙 데이터를 확보하였다. 분석결과, 실제 lineup 카드에 기재된 Rotate Speed (이륙전환속도) 기준은 136 KCAS (Knots calibrated airspeed)이며, Fallon 미 해군 항공기지의 조건에 의해 계산된 Rotate Speed 기준은 143 KCAS 임에도 불구하고 사고 조종사는 평균적으로 120±5 KCAS에서 이륙 전환한다는 것을 MFOQA 데이터 분석을 통해 정량적으로 밝혀내었다.

또한, 동일한 기지에서 F-22 항공기 조종사들의 56소티 동안의 이륙 경향을 Fig. 7에서 확인할 수 있는데, 조종사의 64.3%가 계산된 Rotate Speed보다 5 knots 이전에 전환하는 것으로 분석되었으며, 사고 조종사의 이륙 전환 기준과 유사하게 52.1%의 조종사는 120±5 KCAS에서 이륙 전환하는 경향을 보이는 것으로 밝혀졌다. 이 사고와 관련하여 사고조사관은 “모든 F-22 항공기 기지(Nellis AFB 제외)가 해수면에 위치해 있으며, F-22 조종사는 고지대에 위치한 기지에서 이륙한 경험이 많지 않다”라고 지적하였다. 또한, 고지대에 위치한 기지(NAS Fallon 기지는 해수면 기준 3,935 ft의 고도에 위치)에서의 F-22 항공기 이륙 데이터를 조사한 결과, “모든 조종사가 습관적으로 자신이 소속된 기지에서 비행하는 것처럼 이륙하는 경향이 있다.”라고 분석하였다.

Fig. 8은 2013년 5월−2014년 4월까지의 KC-135 공중급유기에 대한 MFOQA 데이터 분석사례 일부이며, 85,000번 이상의 공항 접근에 대한 데이터를 토대로 분석한 내용이다.

이를 살펴보면, 전체 KC-135 공중급유기의 불안전 접근율은 12%인 것으로 분석되었으며, ‘Approach Speed High’ 이벤트가 7.6%로 가장 높게 나타나는 것으로 분석되었다. 이 자료에서는 공항별 불안전 접근율도 확인할 수 있다[9].

Fig. 8B에서는 LAJES 공항의 특이사항을 파악하여 분석한 내용이며, 결론적으로 불안전 접근의 원인이 ‘조종사’ 문제가 아니라 지역 특성(포르투칼 테세이라 섬 해안가에 위치한 공항)에 따른 ‘강한 바람’의 영향 때문이라는 것이 조사를 통해 밝혀졌다. 이처럼 MFOQA 분석은 외부 요인(바람, 지형, 비행장 제한, 장비접근 요구사항 등)과 불안전한 접근 사이의 인과 여부를 식별하여 그 이유에 대한 논리적 결론을 내릴 수 있는 단서를 제공하는 역할을 수행하기도 한다.

1. 비행자료 파라미터

ICAO의 ICAO 부속서 6 (항공기 운항)에서 FDR에 대한 파라미터 지침을 민간항공에 제공하고 있으며, 78개의 ‘충돌방지 비행자료 레코더’와 37개의 ‘비행자료기록시스템에 대한 지침’을 제시하고 있다. Table 2와 Table 3은 ICAO에서 제시한 ‘충돌방지 비행자료 레코더’와 ‘비행자료기록시스템 지침’에 대한 샘플이며, 파라미터 종류와 오차 범위에 대해 자세히 기술하고 있다.

미 공군은 미 공군 핸드북(AFH) 63-1402 「Aircraft Information Programs (AIP)」에서 비행자료 파라미터에 대해 기술하고 있으며, 이 핸드북은 국제 실무 그룹의 참여와 National Transportation Safety Board (NTSB) 권고 사항, 그리고 군사 교육을 통해 확보된 자료를 바탕으로 군용 항공기를 위해 특별히 제작되었다. 이 항공기 정보 프로그램(AIP)은 사고조사, FOQA, 신뢰도 중심 유지관리(RCM) 등의 지원을 위해 사용하고 있다.

비행자료 파라미터는 중요도에 따라 1–4까지 범주로 분류하며 파라미터 사용에 대한 세부적인 내용은 아래 Table 4와 같다. Category 1은 반드시 적용해야 하는 필수 파라미터를 의미하며, Category 4는 즉시 사용 가능한 경우에 권장하는 파라미터를 의미한다.

이러한 파라미터는 고정익 항공기와 회전익 항공기로 구분하여 적용할 수 있도록 설계되어 있다. 고정익 항공기의 파리미터는 항공기 Number, 날짜, 시간, 무게 등 일반적인 파라미터를 제외한 183개로 구성되어 있으며, 회전익 항공기는 154개의 파라미터로 구성되어 있다. 아래의 Table 5와 Table 6은 고정익 및 회전익 항공기에 대한 파라미터 샘플이다.

2. 이벤트 파라미터

FOQA 프로그램을 수행하기에 앞서, 사건 발생의 분류 및 안전성 목표를 명확하게 수립하여 적용하여야 하며, 이벤트(event)는 사건에 대한 카테고리를 구분하여 획득된 데이터를 모니터링 및 검토할 수 있어야 한다.

이를 위해 FAA AC 120-82에서는 이벤트의 정의를 항공기 매개변수의 사전 결정된 값이 측정되는 발생으로 명시하고 있으며, 다양한 비행단계에서 추적 및 모니터링되는 조건을 나타내고 있다. 이벤트 카테고리는 FOQA 이벤트 모니터링 및 추세 분석의 기반이 되는 운영상의 관심 영역(예: 항공기 유형, 비행단계, 지리적 위치 등)을 뜻한다.

주요 안전 이벤트로는 항공기의 후미에 손상을 입힐 우려가 있는 ‘급상승 이륙’, ‘안정된 착륙접근을 위하여 규정된 절차를 벗어나는 접근 조작’, ‘과도한 강하율 또는 선회경사각’, ‘빠른 지상 활주 속도’, ’과중력 착륙’, ‘윈드 쉬어 발생’, ‘지상 근접 경보’, 그리고 ‘엔진 기능결함’ 등을 포함한다.

이벤트 수준을 할당할 때에는 연방규정, 항공기 제한, 회사의 정책이나 절차준수 여부를 고려하여 결정하며, FOQA 시스템을 통해 도출된 안전 이벤트의 수정 조치에는 표준운항절차의 변경사항을 조종사들에게 통지하거나 그것들을 재언급 및 강조, 특정 장비의 문제점을 수정 또는 추가 교육훈련을 실시하는 것 등이 포함될 수 있다. 경향성에 대한 지속적인 모니터링을 통해 항공사는 수정 조치가 효과가 있는지 혹은 추가 대책이 필요한지를 알게 된다.

FAA는 외국 항공사의 경험과 FAA가 후원하는 여러 연구결과 및 정부/산업 안전 포럼에서 받은 의견을 바탕으로 FOQA 프로그램을 폭넓게 시행하면 항공사의 사고율을 현재 수준 이하로 낮출 수 있는 상당한 잠재력을 가지고 있다고 결론지었다[10]. 이와 관련하여 민항 FOQA 이벤트의 경우, Table 7과 같이 FAA AC 120-82의 Appendix에 FOQA 이벤트와 관련된 61개의 표준 이벤트를 채택하고 있으며, 상용 C (Commercial) FOQA 패키지를 도입하여 사용하고 있다. 부수적으로 안전조직 중 자신의 조직에 맞추어 안전 이벤트를 개발하여 추가하는 경향도 있다[11].

또한, 영국 민간항공기구에서는 2003년에 ICAO 국제기준을 근거로 항공사의 비행자료분석프로그램 운영에 대한 정부 차원의 세부 이행지침 CAP 739 Flight Data Monitoring (2013. 6. 개정)을 마련하였다. 이 지침에는 전형적인 기본 운항상의 이벤트 유형, 추가적으로 비행자료 운영자가 관심을 가져야 할 확장된 운항상의 이벤트 유형, 비행장/활주로/중량/시간과 많은 다른 환경의 조합들과 연결되어 항공사 측면에서 항공기의 경제적 운영 및 항공안전확보를 위하여 분석을 권고하는 조종 파라미터의 다양한 분석 대상들에 대하여 기술하고 있다[12]. 여기에서는 28개의 의무 분석 이벤트 유형(58개 세부항목)과 19개의 권장 이벤트 세부항목으로 그룹을 나누고 있다. 아래의 Table 8과 Table 9는 이벤트 세부항목의 일부를 나타내고 있다.

미 공군은 미 공군 정책서 63-14「Aircraft Information Programs (AIP)」에 입각하여 식별되지 않은 집계 데이터를 사용하여 추세, 사고 전조 및 조치의 효과 식별을 위하여 MFOQA 분석을 위한 이벤트 데이터의 적합성을 결정하고 있으며, MFOQA 분석 시행이 기술적 또는 재정적으로 불가한 경우에는 국방부 차관의 심사를 받도록 하고 있다. 또한, 미 공군 정책서(AFPD) 90-13「Military Flight Operations Quality Assurance」에서 “국방부 차관의 면제 조치가 없는 이상 지휘관 및 시스템 프로그램 관리자/개발 시스템 관리자는 MFOQA 프로세스 요구사항이 모든 기존 및 신규 항공기 조달에 포함되도록 보장해야 한다”라고 명시하고 있다. 이처럼 미 공군에서는 FOQA에 대한 중요성과 이벤트 파라미터에 대한 적합성에 대해서 정책서에 반영하여 운영하고 있으나, 아쉽게도 미 공군에서 운영하는 항공기에 대한 이벤트 파라미터 자료는 보안 사항으로 확인하기가 어려웠으며, 미 7공군 안전실에 MFOQA 관련 내용을 문의하였으나 답변을 받지 못하였다.

B-737 민항기를 개조하여 E-737 기종을 운영 중인 한국공군을 살펴보면, 비행자료 파라미터는 항공기 고도, 속도, 위치, 엔진 상태 등 1,398개가 기록되며, Fig. 9와 같이 Aircraft Condition Monitoring System (ACMS) 시스템의 화면에서 131개의 이벤트 발생 자료를 볼 수 있으며, 정보 분석이 가능하다.

구체적으로 모니터링 할 수 있는 부위는 아래와 같다.

1) 엔진 및 항공기 추세 상태 모니터링(이륙, 순항, Auxiliary Power Unit, 항공기 성능)

2) 엔진 초과 모니터링(과속/과열, 진동)

3) 기체 구조 초과 모니터링(Hard Landing)

4) 기타 용도(날씨 보고, 센서 고장 감지, QAR 연속 데이터 기록 등)

현재 한국공군은 최신의 항공기들을 도입하여 임무를 수행하고 있으며, 기존의 안전관리기법이 아닌 새로운 형태의 예측적 안전관리기법의 적용이 필요한 시점이다. 그 대표적인 기법으로써 비행자료분석을 통하여 위해요인에 대한 정량적 평가가 가능한 FOQA 시스템이 있다.

하지만, 한국공군에서 운영하고 있는 대부분의 항공기에는 비행자료분석을 위한 장비가 장착되어 있지 않으며, 추가적으로 장비를 도입한 후 잠재적 위해요인을 식별하여 선제적으로 위험을 해결하기에는 많은 시간이 소요될 수 있다.

따라서, 한국공군 환경에 적용 가능한 현실적인 방법을 통하여 비행자료분석을 위한 대안을 찾는 것이 중요하며, 본문에는 군의 보안 상 이유로 내용이 생략되어 있지만, 이벤트 파라미터의 현실적인 사용을 위한 전제 조건으로써 ‘공중 전투기동 훈련체계(Air Combat Maneuvering Instrumentation, ACMI)’ 구조에 대한 소스 코드를 활용하여 저장된 데이터를 분석 목적에 맞게 속성을 필터링하고 일관성 있는 형식으로 변환하여 자료연동 및 분석, 데이터 시각화가 가능하도록 기존의 데이터베이스를 수정하여 아키텍처를 재설계해야 할 필요성이 있다.

또한, 수집된 비행데이터의 이벤트 파라미터를 분석하고 관리하기 위하여 민간항공사의 안전보안실과 같은 조직을 구성하여 운영하는 것이 효율적이지만, ACMI를 활용하여 비행자료를 분석하는 공군의 경우라면 기존의 RTO (항공훈련통제장교, ACMI 체계를 이용하여 비행 편대에 대한 훈련 및 안전 조언을 담당) 교관을 활용하여 Display and Debriefing Subsystem 시스템을 통하여 이벤트를 분석하고 해 기종의 교관급 이상의 조종사들로 구성된 안전회의를 통하여 이벤트 발생에 대한 경향을 분석하는 것도 한 가지 방법이라 할 수 있겠다.

결론적으로 살펴보면, 한국공군은 F-35A 스텔스 전투기, RQ-4B 고고도 무인정찰기, KC-330 MRTT 다목적 공중급유 수송기 등 현재 최신의 항공기들을 도입하여 운영하고 있으며 추후 KF-21 항공기 및 중고도 무인정찰기를 도입할 예정이다. 이러한 최첨단 항공기들의 운영에 있어서 위험 관리는 기존에 사용하고 있는 정성적인 안전관리 기법으로는 한계가 있을 수밖에 없으며, 보다 객관화된 정량적 데이터의 확보를 통하여 최신 항공기들의 안전관리를 해야 할 필요가 있다.

또한, 무기체계 및 전력지원체계 획득과 관련한 프로세스 수정도 필요하다. 전력화를 위한 무기체계 제안요청서 작성 시에 대부분 작전운용 성능에 초점을 맞추어 작성하다 보니 안전과 관련한 부분이 누락되는 경우가 있다. 특히, 항공무기체계의 경우에는 획득과 관련한 부분이 한번 결정된 후에는 수정하는 것이 쉽지 않기 때문에 무기체계 획득 시에 안전과 관련한 시스템을 별도의 전력지원체계를 통해 획득할 것이 아니라 동시에 추진하는 것이 바람직하다. 따라서, 한 단계 높은 안전관리를 위해서는 구매 이후에 안전에 관심을 가질 것이 아니라 항공무기체계 획득과 전력지원체계 획득을 위한 소요제기를 동시에 수행하며 항공안전 관련 전문가를 함께 참여시킬 수 있도록 제도적 장치를 마련하는 것이 중요하며, 이를 위해 방위사업청 예규, 훈령, 공군 규정 등을 개정할 필요가 있다.

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