선박의 연안항해시 안전 항해 영역 표시를 위한 기능 및 심볼 구현

Ⅰ. 서 론

선박 운항에 있어 승객과 승무원, 그리고 화물의 안전은 매우 중요한 문제이다. 선박의 사고는 인명피해, 경제적 손실 등을 불러오기 때문에 일반적으로 해운선사에서는 선박 안전 관리에 많은 비용을 투자한다. 또한 국가차원에서도 안전관리에 대한 정책을 수립하고 관련 연구를 통해 선박 안전에 대해 지속적으로 노력하고 있다.

전 세계의 해사안전과 해양환경의 안전을 담당하는 UN 산하 기구인 국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)에서는 안전 운항과 해양 환경 보호를 위한 전략으로 e-Navigation을 수립하였다. 이 전략의 목표 중 하나는 선박을 자동화 및 전자화하고 이를 통해 선원의 과한 업무 비중을 줄이는 것이다[1]. 최근에는 e-Navigation 전략을 실행하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있으며 다량의 데이터를 기반으로 분석된 자료를 통해 선박의 안전에 관한 정보를 제공하는 서비스도 제공되고 있다.

선박의 항해 중 육상에 가까운 구역은 수심은 얕고 주변 환경은 복잡한 가운데 통행량이 상대적으로 많아서 안전을 위협하는 요인이 많이 있다. 경험 있는 항해사, 선장이 직접 항해하거나 국가와 항구에서 정한 규정에 따라 도선사가 선박의 안전운항을 대신 책임지기도 한다[2]. 직접 또는 책임을 대신하여 항해를 하는 것과 더불어 항로 정보를 확인하고, 주변 선박과 구조물 등을 확인하는 등의 다양한 기능을 포함하는 항해지원 장비들이 사용되고 있다[3].

선박의 사고는 IMO 해사안전위원회(MSC, Maritime Safety Committee)와 해양안전심판원 등에서 정의한 9가지 분류가 대표적이다[4]. 이에 따라 선박의 사고 유형은 충돌, 침몰, 기름유출, 좌초, 전복, 화재, 폭발, 기관고장, 인명사고로 분류한다. 충돌은 선박간의 물리적 충돌 또는 선박과 해양 구조물의 충돌을 말하며 외부적인 충돌이라고 할 수 있다. 침몰은 선박이 수면 아래로 완전히 가라앉은 상태를 말하며 운송을 위해 적재한 원유를 유출하거나 선박 운항 시 필요한 연료를 유출했을 때를 기름유출로 정의한다. 좌초는 선박이 해저의 지형 또는 구조물에 얹혀 손상을 입는 경우이며 전복은 선박이 정상적으로 수면에 떠있지 않은 상태를 말한다. 화재는 선박에서 작업 중 일어나는 화재 혹은 주거구역에서 일어나는 화재를 말하며 폭발은 선내에서 가연성 연료 혹은 다른 이유로 인해 폭발이 발생하는 경우를 말한다. 선박의 운항 중에 전자적 또는 기계적 고장이 발생한 경우를 기관고장으로 분류한다. 위의 사고를 제외하고 작업자 및 운항자 또는 승객이 피해를 입었을 경우를 인명사고로 분류한다.

본 논문은 선박의 사고 중 좌초의 위험을 판단하는데 활용할 수 있는 안전지역 표시 기능을 소개한다. 선박의 출항 전 수립한 계획항로와 현재 위치 그리고 주변 해역의 수심정보 등을 이용해 주변의 항해 안전 지역의 경계를 표시해주는 기능이다. 이를 위해, 경계를 표시하는 심볼을 정의하였고, 대상 선박의 항해 정보와 해당 선박이 운항하는 항구 주변의 수심정보를 기반으로 안전지역의 경계를 찾아 이를 기존 서비스에 추가기능으로 구현하였다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 본 논문에서 심볼을 정의하기 위해 조사한 선박 항해용 장비 심볼의 종류와 기존의 수심정보를 활용한 항해 안전 정보 제공 서비스를 소개한다. 3장에서는 해양 환경 요소를 고려하여 선박 안전 정보 제공서비스를 위해 선박 안전 항해 영역을 도출하는 과정을 설명한다. 4장에서는 3장에서 도출된 항해중 선박의 주변 안전 항해 영역을 전자해도 기반 시스템에서 활용할 수 있도록 심볼을 정의하고 기존의 시스템에서 사용하던 심볼의 형태를 고려하여 새로운 심볼을 제작하는 과정에 대해 기술한다. 마지막으로 5장에서는 본 논문에서 구현한 전자해도 기반 표출 시스템에 대해 설명하고 구현 결과를 설명한다.

Ⅱ. 관련 연구

이 장에서는 본 논문에서 심볼을 정의하기 위해 조사한 기존 선박운항과 관련된 심볼의 종류에 대해 설명하고, 수심정보를 기반으로 도출한 안전 운항 경계 표시 기능을 구현한 기존 시스템에 대해 소개한다.

2-1 선박 항해용 심볼의 종류

선박의 안전 운항을 위해서 다양한 심볼이 국제표준과 민간표준을 통해 개발되어 있다. 본 논문의 안전 항해 영역을 표시하기 위한 심볼을 정의하기 위해 기존 심볼에 대한 종류와 용도를 조사했다.

먼저 국제수로기구(IHO, International Hydrographic Organisation)에서는 종이해도 사양에 대한 규정으로 S-4 규정을 배포하고 있다. S-4 규정은 연관문서로 기호, 약어 및 용어 등을 제공하는 INT1, 경계와 그리드 등에 대한 내용을 제공하는 INT2, 심볼과 약어 등의 사용 사례를 제공하는 INT3으로 S-4 규정의 내용을 보완하고 있다[5].

Fig. 1.

INT1 standard – Area and Limit

현재 주로 사용되는 전자해도 시스템에는 국제수로기구의 전자해도 사양인 S-52 표준과 S-57 표준을 사용한다. S-52 표준은 종이해도 사양을 기반으로 전자해도에 표시할 심볼의 모양과 표현방법을 기술하였으며 S-57 표준은 수로정보에 대한 기본적인 교환 표준이다. 최근 육상지리정보 표준을 접목하여 새로운 수로 정보 교환 표준으로 S-100을 발표하고 S-100 기반 전자해도 표준인 S-101 표준을 시작으로 해저 지형, 해류 정보, 항해 위험, 항해 경고 등 각각의 수로 정보를 표준화 하여 개발하고 배포하고 있다[6].

선박의 항해를 지원하는 장비로는 전자해도표시정보시스템(ECDIS, Electronic Chart Display and Information System) 이외에도 전자해도 기반의 장비들을 다양하게 사용한다. 특히 포터블 장비 혹은 웹 서비스에 많이 사용되는 전자해도는 C-MAP이다. C-MAP 기존 전자해도 양식을 참고하여 심볼을 단순화 하거나 개선하여 용도에 맞게 사용할 수 있도록 심볼 및 기타 서비스를 제공한다[7]. 그림 2는 C-MAP을 활용할 수 있는 여러 분야를 보여준다.

Fig. 2.

C-MAP Feature guide

2-2 항해 안전 정보 제공 서비스 – Vessel link

본 논문의 구현결과를 부가적으로 제공할 기존 시스템인 Vessel link는 선박의 데이터 수집부터 수집된 데이터를 분석하여 안전 운항 및 경제운항에 대한 데이터를 제공하는 서비스이다. 선박용과 육상용으로 제공되며 선박용 서비스에서는 자동화된 데이터 보고 시스템, 선박 연료유 절감, 자체 데이터 검증 시스템 등이 있다.

Fig. 3.

Vessel link - Noon reporting system

Fig. 4.

Vessel link - Port information & Distance calculation

육상용 서비스에서는 선박관리 및 데이터 관리, 선박 성능 분석 서비스 등이 있다. 선박의 안전 운항을 위하여 항구 정보 및 운항거리 계산 기능을 탑재하고 있으며 미국해양대기청(NOAA, National Oceanic and Atmospheric Administration)의 기상정보를 이용한 해양 기상 예보 서비스를 제공한다.

Ⅲ. 해양 환경 요소를 고려한 선박 안전 운항 정보 서비스

본 장에서는 해양 환경 요소를 고려한 선박 안전 운항 정보를 도출하고 서비스를 제공하는 과정을 기술한다. 먼저 선박의 제원과 해양 환경 정보를 통해 안전 항해 영역 도출을 위한 요소를 분석한 다음, 분석된 요소를 바탕으로 선박의 안전 항해 영역을 표시하기 위한 좌표를 추출한다.

3-2 선박 안전 항해 영역 도출

3.1 절에서 선박의 제원 및 해양 환경 정보 분석을 통해 얻어낸 값들을 이용하여 선박이 안전하게 운항할 수 있는 영역을 도출한다. 이를 위해, 선박과 해저면 사이의 안전거리를 계산하여 안전하게 항해를 할 수 있는 영역에 대한 좌표를 추출한다. 내수면 혹은 연안과 같이 수심이 얕은 지역에서 항해할 경우 수심이 얕아 선박의 바닥 즉 용골이 닿아 발생하는 좌초사고의 위험이 높으므로 이를 파악하고 인지하는 것은 안전 운항에 중요하다. 그림 5는 안전 항해 영역을 계산하는 과정을 도식화하여 나타낸 그림이다. 각 단계는 이전 단계를 수행하여 나온 결과 값을 입력으로 사용하므로 다음 단계에 따라 순서대로 수행된다.

Fig 5.

The process of calculating safety navigational area

본 논문에서 제안하는 안전 항해 영역 도출 과정은 기존에 사용되는 단위 계산들을 조합하여 만들었다. 현재 수심을 계산하고, 물의 밀도와 저항을 고려한 선속의 감쇄, 파랑에 따른 선수각의 영향 등에 활용되는 수식은 있으나 안전 항해 영역을 도출하는 목적의 단일 알고리즘에 대한 연구결과는 찾아볼 수 없다[8].

국제수로기구에서 표준화를 추진하고 있는 S-129 선저여유수심관리(UKCM, Under Keel Clearance Management)는 선박의 항해 중 외부 혹은 탑재된 별도의 시스템에서 여유수심을 계산한 결과를 전자해도 기반 장치에 표시하는 것에 대한 내용이다[10]. 안전 운항을 위한 영역을 계산하는 내용은 포함되어 있지 않고 서비스제공자(service provider)에 의해 제공받는 것으로 명시되어 있다[10].

전자해도표시정보시스템의 UKC기능은 선박 출항전 항로계획당시를 기준으로 계산된 해저면과 선체사이의 거리를 표시해준다. 이는 해당지점에 도착한 시점의 주변상황을 고려하지 못하여 항해사들에게 실질적으로 도움을 주기 위한 서비스로 호주의 OMC international는 DUKC(R)을 제공하고 있고 관련 결과가 발표되었으나 구체적인 방법은 회사의 자산에 속하므로 이를 공개하지는 않는다. 해외 연구사례로 수심이 얕은 제한구역내 초대형 선박의 항해를 위한 선저여유수심을 계산하는 방법과 항만구역에서의 선체 구조를 고려한 UKC계산에 대한 연구가 있다[11][12].

기존의 방법들은 선박 현재 위치의 선저여유수심을 계산하는 것을 목적으로 하고 있으며, 본 논문의 결과를 추가 기능으로 구현할 대상시스템인 Vessel link에 유사한 기능이 있다. 본 논문에서 제안하는 방법은 기존 방식에 파랑계수와 부력에 영향을 주는 물의 밀도를 추가적으로 고려한다. 또한, 선박의 진행방향 주변의 영역에 항해 위험 영역의 경계를 도출하는 것이 기존 방법과 차이가 있다. 다음의 단계를 따라 선박 안전 항해 영역을 도출하기 위한 비중을 고려한 선박의 흘수와 선체 침하를 반영한 선박과 해저면 사이의 안전거리를 도출한다.

(1) 먼저 물의 밀도와 선박의 무게에 따라 달라지는 선박의 흘수를 구한다. 선박의 흘수는 수선면적을 고려해야 하기 때문에 물의 비중에 따른 수선면적(Aw)을 구한다.

$\[ Aw=\frac{\left(0.01m\right)\times {SG}_{water}}{TPC} \]$

(1)

(2) 구해진 수선면적(Aw)과 물의 밀도(SG)를 이용하여 배수량(DT)과 물의 밀도를 이용해 선박의 흘수(Draft)를 구한다.

$\[ Draft=\frac{DT}{{SG}_{water}\times Aw} \]$

(2)

물의 밀도는 일반적으로 해양은 1.025t/m3, 민물은 1t/m3이며 본 논문에서는 해양의 평균밀도를 사용하였다. 이후 파랑의 영향에 따른 선박의 흘수와 수심값을 이용하여 선박과 해저면 사이의 거리를 구할 수 있다.

(3) 앞 단계에서 구한 흘수에 파랑의 영향에 따라 파랑계수를 적용한다. 파랑계수는 파랑의 영향에 따라 다르게 적용하지만 본 논문에서는 바람의 세기에 따라 파랑계수를 설정한다. 예를 들어 풍속 값이 7 이하인 경우 0.1을 적용한다. 그림 6은 본 논문에서 참고한 보퍼트 풍력 계급표이다.

Fig 6.

The table of beafourt scale

파랑의 영향은 파랑계수(k)를 적용하고 선박의 흘수(Draft)와 수심 값(Depth)을 이용하여 선박과 해저면 사이의 거리(d1)를 구할 수 있다.

$\[ d{1}_{ship-seafloor}={Depth}_{water}-\left(Draft\times k_{tidal}\right) \]$

(3)

(4) 선박의 안전 항해 영역을 도출하기 위해서 선체 침하를 반영한다. 선체 침하(SM, squat margin)란 선박이 천수 영역을 운항할 때, 선저 부분의 압력 변화로 인하여 흘수가 변하는 현상을 나타낸다. 선체 침하는 방형비척 계수(Cb)와 속력을 사용하여 구하며 이를 공식화 하면 다음과 같다.

$\[ SM=\frac{Cb\times V^2}{100} \]$

(4)

(5) 최종적으로 선체 침하를 반영하여 선체침하와 비중을 고려한 선박과 해저면 사이의 거리(d)는 다음과 같다.

$\[ d_{ship-seafloor}=d{1}_{ship-seafloor}-SM \]$

(5)

Ⅳ. 심볼 정의

본 장에서는 3장에서 도출된 항해하는 선박의 주변 지역의 안전 항해 영역에 해당하는 좌표를 전자해도 기반 시스템에 표시하기 위한 심볼을 고안하였다. 기존 시스템에서 사용하고 있는 심볼과 충돌이나 혼동이 없고 사용자들이 쉽게 인지할 수 있는 심볼을 선정하기 위해 다음 사항을 고려했다. 여기서 의미하는 심볼은 특수한 모양의 표기뿐만 아니라 선, 면과 이에 정의된 색상을 모두 포함한다.

• - C-MAP에 포함된 모든 심볼 제외
• - 국제수로기구의 기존 전자해도 사양인 S-52 표준에서 사용하는 심볼 제외
• - 국제수로기구의 새로운 전자해도 표준 개발을 위해 S-100워킹그룹에서 논의되는 모든 심볼제외

그림 7은 본 논문의 연구진, 분야전문가, 기존 Vessel link 사용자들의 논의와 자문의 결과로 결정된 심볼을 보여준다.

Fig 7.

A symbol to portray safety navigational area

그림 8은 심볼을 구현한 결과를 보여주는 예시이다. 앞서 3.2 절에서 도출한 선박 안전 항해 영역 좌표 정보를 토대로 전자해도 기반의 표출 서비스를 제공한다. 기능이 실행되면 사용자는 먼저 안전 운항 정보를 얻고자 하는 대상 영역을 설정한다. 이후 대상 영역 내에서 3장의 계산 과정이 실행된다.

Fig 8.

The implement example of portrayal safety navigational area

선박이 운항 경로를 따라 지나갈 때 주변 연안의 수심을 파악하여 안전 운항 정보를 도출하며 설정한 값 이하일 때 그 영역을 항해 위험 구역 혹은 항해 불가 구역으로 설정한다. 일정 간격을 두고 해당하는 좌표에 그림 6의 심볼을 표시하며 심볼에서 수직으로 그어진 선을 통해 선의 방향이 해당 영역임을 표시한다.

Ⅴ. 응용 사례

이 장에서는 본 논문의 결과를 구현한 결과에 대해 설명한다. 심볼을 항해 위험 경계 영역에 표시하기 위해 경계 영역의 좌표를 도출하고 이를 디스플레이하는 기능을 구현했다. 대상선박은 전장(L.O.A) 283.14m, 수선간장(L.B.P) 282.2m의 주요제원을 가지고 있으며 선박의 종류는 벌크 선이다. 중국 – 호주 –한국의 계획 항로를 가지고 있으며 표출실험은 중국항만에서 진행하였다.

3장에서 설명한 안전 항해 영역을 표시하기 위해 계산한 결과는 모듈 내부적으로 생성되어 심벌표출단계로 전달된다. 그림 9는 도출된 결과에 따라 안전 항해 영역을 표시할 수 있도록 좌표를 목록화한 그림이다. 그림 10은 4장에서 정의한 심벌을 도출된 영역의 좌표에 따라 표시한 결과이다.

Fig 9.

The position list to portray safety navigational area(part)

Fig 10.

The implement result of portrayal safety navigational area (Vessel link)

Ⅵ. 결 론

본 논문은 선박이 육상과 가까운 연안을 항해할 때 해저면과 선박의 간격이 좁아서 발생할 수 있는 좌초의 위험에 대비해서 항해사들이 안전 항해 영역을 판단하는데 도움을 주는 기능을 구현하였고, 파악한 안전 항해 영역을 전자해도기반 기존 장비에 표시하기 위해 새로운 심볼을 정의했다.

선박의 출항 전 수립한 계획항로와 현재 위치 그리고 주변 해역의 수심정보 등을 이용해 주변의 안전 항해 영역을 표시해주는 기능으로 대상 선박의 항해 정보와 해당 선박이 운항하는 항구 주변의 수심정보를 기반으로 안전 항해 영역을 찾아 이를 기존 서비스에 추가기능으로 구현하였다.

향후 기능개선을 위해 안전 항해 영역에 해당하는 좌표를 찾는 방법을 개선하여 계산시간을 줄이고, 본 논문에서 제안한 심볼을 다양한 전자해도기반시스템에 실험을 통해 심벌의 적절성을 파악하여 효과를 입증하고 그 결과를 국제표준기구에 제안할 계획이다.

Acknowledgments

본 논문의 산업통상자원부의 지원을 받아 수행된 국가혁신융복합단지지원(R&D) 사업의 지능정보 기반 선박 안전관리 시스템 개발 (P0015263)의 연구결과입니다.

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