Journal Archive

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

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.

선박의 안전 운항을 위한 안전 항해 영역을 도출하기 위해 선박의 제원 및 해양 환경 정보를 분석한다. 본 논문에서는 파랑계수, 수심정보, 수선면적, TPC(Tons Per Centimeter), 물의 비중, 배수량, 방형비척 계수, 속력을 사용한다. 각각의 의미는 다음과 같다.

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.

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

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.

(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.

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

3.2절의 과정에서 계산한 선박과 해저면 사이의 거리가 일정한 기준 값 이하로 떨어지는 경우 선박이 좌초 위험에 노출되었음을 감지할 수 있다. 선박과 해저면 사이의 거리에 대한 기준 값은 세계의 각 나라별로 다른 기준을 가지고 있으며 항구의 상태나 주변 해저지형에 따라 달라질 수 있다. 다만 모든 해역의 수심정보를 모두 수집하고 계산하기 위해서는 많은 시간이 소요되기 때문에 본 논문에서는 이를 해결하기 위해 사용자가 일정 영역을 선택하고 해당 영역에서 안전 항해 영역을 위한 좌표를 도출할 수 있도록 한다. 추후 자동화 및 선박 운항을 고려하는 알고리즘을 추가하여 사용 편의성을 높일 수 있다.